شبیه سازی رفتار الاستیک، ارتعاشی و حرارتی نانو لوله های تک دیواره کربنی

چکیده نانولوله¬های کربنی مواد نانوساختاری هستند که دارای خواص فوق¬العاده مکانیکی، فیزیکی و حرارتی می¬باشند. از نظر مکانیکی سخت¬ترین مواد شناخته شده هستند، تا جاییکه استحکام آنها چندین برابر فولاد است درحالیکه وزن آنها، یک ششم نمونه فولادی می¬باشد. علاوه¬براین رسانایی الکتریکی آنها چندین برابر بهترین رساناهاست. حساسیت مغناطیسی¬شان بیشتر از بسیاری از مواد شناخته شده¬است. در برابر افزایش و یا کاهش دما مشابه سیلیسیم رفتار می¬کنند، و تا 3000 درجه سانتیگراد در خلا پایدار هستند. به¬منظور استفاده از نانولوله¬های کربنی در مقیاس وسیع لازم است ابتدا رفتار آنها در شرایط مختلف و تحت بارگذاری¬های متفاوت بررسی شده و پیش¬بینی شود. در حیطه مطالعات تئوری انجام¬شده بر روی نانولوله¬های کربنی، با استفاده از شبیه¬سازی¬های کامپیوتری می¬توان مقدار خواص آنها را تخمین زد. یکی از شیوه¬هایی که در حوزه مدل¬سازی رفتار نانومواد بسیار استفاده می¬گردد، دینامیک مولکولی است. اگرچه که دینامیک مولکولی ابزاری قدرتمند در عرصه مدل¬سازی رفتار مواد در مقیاس نانو است، اما به دلیل حجم محاسبات بالا در مدل¬سازی ماده با محدودیت استفاده روبروست. بسیاری از محققان درپی ابداع روش¬هایی نوین با دقت بالا و حجم محاسبات پایین هستند. در این پایان¬نامه با استفاده از مدلی که بر مبنای مکانیک سازه¬ها و المان محدود بنا شده، رفتار این مواد تحت بار کششی و پیچشی و در دماهای متفاوت برای ساختارهای بدون عیب و معیوب(با عیب حفره و با عیب 5-7-7-5) بررسی گردیده¬است. هم¬چنین ارتعاشات نانولوله¬های دو سر گیردار نیز در دماهای متفاوت مدل شده¬است. این شیوه بر مبنای معادل سازی پتانسیل مولکولی و انرژی¬های کرنشی مکانیک ساختاری کلاسیک جهت محاسبه مشخصات المان¬های مدل المان محدود بنا نهاده شده¬است. بارگذاری کششی نانولوله¬ها نشان داده¬است که مقدار مدول الاستیک و مدول پیچشی آنها به¬ترتیب در محدوده تراپاسکال و گیگاپاسکال است. وجود انواع عیوب در ساختار نانولوله¬ها سبب کاهش مقدار این ثابت¬ها می¬شود. در مدل ساخته شده یکبار تاثیر عیب حفره و بار دیگر تاثیر عیب 5-7-7-5 بررسی شده¬است. نتایج حاکی از تاثیر بیشتر عیب حفره می¬باشند. با افزایش دما نیز مقدار ثابت¬های الاستیک ماده کاهش می¬یابند که این مطلب به دلیل ضعیف شدن پیوندهای بین اتم¬ها می¬باشد. بررسی کمانش نانولوله¬ها تحت بار فشاری نشان می¬دهد که با افزایش نسبت منظری نانولوله(نسبت طول به قطر نانولوله) مقدار نیروی کمانشی کاهش می¬یابد. محاسبات نشان داده¬اند که با افزایش نسبت طول به قطر نانولوله مقدار فرکانس ارتعاشی آن کاهش می¬یابد، در عین حال کایرالیتی نانولوله بر مقدار فرکانس ارتعاشی بدون تاثیر است. وجود عیب حفره با توجه به ساختار نانولوله و مکان عیب، ممکن است مقدار فرکانس را کاهش دهد و یا ثابت نگه دارد. با افزایش نسبت منظری نانولوله تاثیر عیب حفره بر فرکانس ارتعاشی کمتر می¬شود. با افزایش دما نیز مقدار فرکانس ارتعاشی نانولوله کاهش می¬یابد.