مواد پیشرفته و پوشش های نوین

مواد پیشرفته و پوشش های نوین

تحلیل عملکرد نانو‌کامپوزیت ها در المان‌های سازه‌های دریایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناس ارشد، گروه مهندسی دریا، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی دریا، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران
3 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران
4 استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد خورموج، دانشگاه آزاد اسلامی، خورموج، بوشهر، ایران
5 کارشناس ارشد، گروه مهندسی عمران، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران
چکیده
با توجه به کاربرد‌های سازه‌ای کامپوزیت‌های پلیمری و نیاز روز افزون بر افزایش بیشتر استحکام و سفتی این نوع کامپوزیت‌ها، همچنین به علت وجود خواص منحصر به فرد نانو‌لوله‌های کربن (CNTs)، به بررسی امکان استفاده از نانو‌لوله‌های کربن، به‌عنوان تقویت‌کننده اضافه در یک کامپوزیت پلیمری پرداخته شده است. در این تحقیق، المان حجمی معرف (RVE) در درصدها و اندازه-های مختلف نانولوله‌کربنی مورد بررسی و مطالعه قرار می‌گیرد. ابتدا روابط تحلیلی برای پیش‌بینی رفتار الاستیک یک المان حجمی معرف ارائه می‌شود؛ سپس با مدل‌سازی المان در نرم افزار اجزاء محدود آباکوس (ABAQUS) رفتار مکانیکی آن مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف اصلی این تحقیق، مدلسازی و استخراج خواص مکانیکی الاستیک نانوکامپوزیت پلیمری با زمینه رزین اپوکسی همراه با الیاف کربن و شیشه به عنوان تقویت کننده نخست و نانولوله کربنی به عنوان تقویت کننده دوم است. بارگذاری محوری و خمشی به‌صورت جابه‌جایی و دوران واحد، به المان اعمال می‌گردد . نتایج نشان می‌دهد که سختی محوری و خمشی کامپوزیت تقویت شده با الیاف شیشه و 5% نانولوله کربن (به ازای شعاع داخلی 2 nm) به ترتیب به میزان 83/8% و 244/9% افزایش می‌یابد در حالیکه این مقادیر برای کامپوزیت تقویت شده با الیاف کربن و با شرایط یکسان، به ترتیب 17.5% و 55% می‌باشد. از طرف دیگر، افزایش ضخامت نانولوله کربن (کاهش ri) باعث افزایش قابل توجهی در مقادیر مقاومت محوری و خمشی کامپوزیت تقویت شده با الیاف شیشه و کربن می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]      S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature, 354(1991), 56-58.
 [2]     H. Malekian, Vibration analysis of multi-walled nano tube using numerical method, MSc Thesis, Birjand Univercity, Iran, 2011.
[3]      J. Tersoff, Energies of fullerenes, Phys. Rev. B, 46(1992), 15546-15549.
[4]      B. I. Yakobson, L. S. Couchman, Persistence length and nanomechanics of random bundles of nanotubes, Journal of Nanoparticle Research, 8(2006), 105-110.
[5]      C. Q. Ru, Effective bending stiffness of carbon nanotubes, Phys. Rev. B, 62(2000), 9973-9976.
 [6]     K. I. Tserpes, P. Papanikos, Finite element modeling of single-walled carbon nanotubes, Composites Part B: Engineering, 36(2005), 468-477.

[7]      G. I. Giannopoulos, P. A. Kakavas, N. K. Anifantis, Evaluation of the effective mechanical properties of single walled carbon nanotubes using a spring based finite element approach, Computational Materials Science, 41(2008), 561-569.

 [8]     C. Li, T. W. Chou, A structural mechanics approach for the analysis of carbon nanotubes, International Journal of Solids and Structures, 40(2003), 2487-2499.
[9]      M. Rossi, M. Meo, On the estimation of mechanical properties of single-walled carbon nanotubes by using a molecular-mechanics based FE approach, Composites Science and Technology, 69(2009), 1394-1398.
 [10]   T. Chang, H. Gao, Size-dependent elastic properties of a single-walled carbon nanotube via a molecular mechanics model, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 51(2003), 1059-1074.
 [11]   J. R. Xiao, B. A. Gama, J. W. Gillespie Jr., An analytical molecular structural mechanics model for the mechanical properties of carbon nanotubes, International Journal of Solids and Structure, 42(2005), 3075-3092.
[12]    X. Wang, Y. C. Zhang, X. H. Xia, C. H. Huang, Effective bending modulus of carbon nanotubes with rippling deformation, International Journal of Solids and Structures, 41(2004), 6429-6439.
[13]    X. Wang, X. Y. Wang, J. Xiao, A non-linear analysis of the bending modulus of carbon nanotubes with rippling deformations, Composite Structure, 69(2005), 315-321.
[14]    A. L. Kalamkarov, V. P. Veedu, M. N. Ghasemi-Nejhad, Mechanical properties modeling of carbon single-walled nanotubes: An asymptotic homogenization method, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2(2005), 124-131.
[15]    Y. Wu, X. Zhang, A. Y. T. Leung, W. Zhong, An energy-equivalent model on studying the mechanical properties of single-walled carbon nanotubes, Thin-Walled Structure, 44(2006), 667-676.
[16]    J. R. Xiao, S. L. Lopatnikov, B. A. Gama, J. W. Gillespie Jr., Nanomechanicson the deformation of single- and multi-walled carbon nanotubes under external radial pressure, Materials Science and Engineering: A, 416(2006), 192-204.
[17]    K. I. Tserpes, P. Papanikos, G. N. Labeas, S. G. Pantelakis, multi-scale modeling of tensile behavior of carbon nanotube-reinforced composites, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 49(2010), 51-60.
[18]    L. S. Schadler, S. C. Giannaris, P. M. Ajayan, Load transfer in carbon nanotube epoxy composites, Applied Physics Letters, 73(1998), 3842-3844.
 [19]  Y. C. Zhang, X. Chen, X. Wang, Effects of temperature on mechanical properties of multi-walled carbon nanotubes, Composites Science and Technology, 68(2008), 572-581.
[20]    H. Khosravi, H. Eslami-Farsani, R. Ebrahimnezhad-Khaljiri, An experimental study on mechanical properties of epoxy/basalt/carbon nanotube composites under tensile and flexural loadings, Journal of Science and Technology of Composites, 3(2016), 187–194.
[21]    F. Inam, D. W. Wong, M. Kuwata, T. Peijs, Multiscale hybridmicro-nanocomposites based on carbon nanotubes and carbon fibers, Journal of Nanomaterials, 1(2010), 1–12.
[22]    Y. L. Chen, B. Liu, , X. Q. He, Y. Huang, K. C. Hwang , Failure analysis and the optimal toughness design of carbon nanotube‐reinforced composites, Composites Science and Technology, 70(2010), 1360–1367.
 [23]   A. Hernández-Pérez, F. Avilés, Modeling the influence of interphase on the elastic properties of carbon nanotube composites, Computational Materials Science, 47(2010), 926–943.
 [24]   M. Bavafa Bigdilou, R. Eslami-Farsani, H. Ebrahimnezhad-Khaljiri, The effect of carbon nanotubes on high velocity impact behavior of hybrid Kevlar- ultrahigh molecular weight polyethylene fibers composite with interlayer configuration, Journal of Science and Technology of Composites, 6(2018), 533-540.
 [25]   A. Esbati, S. Irani, Multiscale modeling of fracture in polymer nanocomposite reinforced by intact and functionalized CNTs, Journal of Science and Technology of Composites, 4(2017), 35–46.
 [26]   A. Davar, R. Azarafza, V. Bagheri, Experimental and numerical analysis of composite lattice truncated conical structures with and without carbon nanotube reinforcements under axial compressive force, Journal of Science and Technology of Composites, 4(2018), 418–425.
 [27]   P. Esmaili, T. Azdast, A. Doniavi, R. Hasanzadeh, S. Mamaghani, R. Eungkee Lee, Experimental investigation of mechanical properties of injected polymeric nanocomposites containing multi-walled carbon nanotubes according to design of experiments, Journal of Science and Technology of Composites, 2(2016), 65–73.
 [28]   M. Karimi, R. Ghajar, A. Montazeri, Investigation of nanotubes’ length and their agglomeration effects on the elastoplastic behavior of polymer-based nanocomposites, Journal of Science and Technology of Composites, 4(2017), 229–240.
 [29]   J. Zhu, H. Peng, F. Rodriguez‐Macias, J. L. Margrave, V. N. Khabashesku, A. M. Imam, K. Lozano, E. V. Barrera, Reinforcing epoxy polymer composites through covalent integration of functionalized nanotubes, Advanced Functional Materials, 14(2004), 643–648.
 [30]   M. Haghgoo, R. Ansari Khalkhali, M. K. Hassanzadeh-Aghdam, Micromechanical analysis of electro-elastic response of polymer composites reinforced with fuzzy fiber containing CNTs, Journal of Science and Technology of Composites, 5(2019), 485–498.
 [31]   M. Griebel, J. Hamaekers, Molecular dynamics simulations of the elastic moduli of polymer-carbon nanotube composites, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 193(2004), 1773-1788.
 [32]   G. M. Odegard, T. S. Gates, K. E. Wise, C. Park, E. J. Siochi, Constitutive modeling of nanotube-reinforced polymer composites, Composites Science and Technology, 63(2003), 1671-1687.