مدلسازي و آناليز خواص مكانيكي نانولوله هاي كربني

فهرست مطالب :

فهرست علائم    ر
فهرست جداول    ز
فهرست اشکال    س

چکیده    1

فصل اول
مقدمه نانو    3
1-1 مقدمه    4
1-1-1 فناوری نانو    4
1-2 معرفي نانولوله‌هاي كربني    5
1-2-1 ساختار نانو لوله‌هاي كربني    5
1-2-2 كشف نانولوله    7
1-3 تاريخچه    10

فصل دوم
خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی    14
2-1 مقدمه    15
2-2 انواع نانولوله‌هاي كربني    16
2-2-1 نانولوله‌ي كربني تك ديواره (SWCNT)    16
2-2-2 نانولوله‌ي كربني چند ديواره (MWNT)    19
2-3 مشخصات ساختاري نانو لوله هاي کربني    21
2-3-1 ساختار يک نانو لوله تک ديواره    21
2-3-2 طول پيوند و قطر نانو لوله کربني تک ديواره    24
2-4 خواص نانو لوله هاي کربني    25
2-4-1 خواص مکانيکي و رفتار نانو لوله هاي کربن    29
2-4-1-1 مدول الاستيسيته    29
2-4-1-2 تغيير شکل نانو لوله ها تحت فشار هيدرواستاتيک    33
2-4-1-3 تغيير شکل پلاستيک و تسليم نانو لوله ها    36
2-5 کاربردهاي نانو فناوري    39
2-5-1 کاربردهاي نانولوله‌هاي كربني    40
2-5-1-1 كاربرد در ساختار مواد    41
2-5-1-2 كاربردهاي الكتريكي و مغناطيسي    43
2-5-1-3 كاربردهاي شيميايي    46
2-5-1-4 كاربردهاي مكانيكي    47

فصل سوم
روش های سنتز نانو لوله های کربنی     55
3-1 فرايندهاي توليد نانولوله هاي کربني    56
3-1-1 تخليه از قوس الکتريکي    56
3-1-2 تبخير/ سايش ليزري    58
3-1-3 رسوب دهي شيميايي بخار به کمک حرارت(CVD)    59
3-1-4 رسوب دهي شيميايي بخار به کمک پلاسما (PECVD )    61
3-1-5 رشد فاز  بخار    62
3-1-6 الکتروليز    62
3-1-7 سنتز شعله    63
3-1-8 خالص سازي نانولوله هاي كربني    63
3-2 تجهيزات    64
3-2-1 ميكروسكوپ هاي الكتروني    66
3-2-2 ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)    67
3-2-3 ميكروسكوپ الكتروني پيمايشي يا پويشي (SEM)    68
3-2-4 ميكروسكوپ هاي پروب پيمايشگر (SPM)    70
3-2-4-1 ميكروسكوپ هاي نيروي اتمي (AFM)    70
3-2-4-2 ميكروسكوپ هاي تونل زني پيمايشگر (STM)    71

فصل چهارم
شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته    73
4-1 مقدمه    74
4-2 مواد در مقياس نانو    75
4-2-1 مواد محاسباتي    75
4-2-2 مواد نانوساختار    76
4-3 مباني تئوري تحليل مواد در مقياس نانو    77
4-3-1 چارچوب هاي تئوري در تحليل مواد    77
4-3-1-1 چارچوب محيط پيوسته در تحليل مواد    77
4-4 روش هاي شبيه سازي    79
4-4-1 روش ديناميک مولکولي    79
4-4-2 روش مونت کارلو    80
4-4-3 روش محيط پيوسته    80
4-4-4 مکانيک ميکرو    81
4-4-5 روش المان محدود (FEM)    81
4-4-6 محيط پيوسته مؤثر    81
4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی    83
4-5-1 مدلهای مولکولی    83
4-5-1-1 مدل مکانيک مولکولي ( ديناميک مولکولي)    83
4-5-1-2 روش اب انيشو    86
4-5-1-3 روش تايت باندينگ    86
4-5-1-4 محدوديت هاي مدل هاي مولکولي    87
4-5-2 مدل محيط پيوسته در مدلسازي نانولوله ها    87
4-5-2-1 مدل ياکوبسون    88
4-5-2-2 مدل کوشي بورن    89
4-5-2-3 مدل خرپايي    89
4-5-2-4 مدل  قاب فضايي    92
4-6 محدوده کاربرد مدل محيط پيوسته    95
4-6-1 کاربرد مدل پوسته پيوسته    97
4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روي تغيير شکل    97
4-6-3 اثرات ضخامت تخميني بر کمانش نانولوله    98
4-6-4 اثرات ضخامت تخميني بر کمانش نانولوله    99
4-6-5 محدوديتهاي مدل پوسته پيوسته    99
4-6-5-1 محدوديت تعاريف در پوسته پيوسته    99
4-6-5-2 محدوديت هاي تئوري کلاسيک محيط پيوسته    99
4-6-6 کاربرد مدل تير پيوسته      100

فصل پنجم
مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی     102
5-1 مقدمه    103
5-2 نيرو در ديناميک مولکولي    104
5-2-1 نيروهاي بين اتمي    104
5-2-1-1 پتانسيلهاي جفتي    105
5-2-1-2 پتانسيلهاي چندتايي    109
5-2-2 ميدانهاي خارجي نيرو    111
5-3 بررسي مدل هاي محيط پيوسته گذشته    111
5-4 ارائه مدل هاي تدوين شده براي شبيه سازي نانولوله هاي کربني    113
5-4-1 مدل انرژي- معادل    114
5-4-1-1 خصوصيات  محوري نانولوله هاي کربني تک ديواره    115
5-4-1-2 خصوصيات  محيطي نانولوله هاي کربني تک ديواره    124
5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS    131
5-4-2-1 تکنيک عددي بر اساس المان محدود    131
5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوين شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS    141
5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسيله کد عددي تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB    155
5-4-3-1 مقدمه    155
5-4-3-2 ماتريس الاستيسيته    157
5-4-3-3 آناليز خطي و روش اجزاء محدود برپايه جابجائي    158
5-4-3-4 تعيين و نگاشت المان    158
5-4-3-5 ماتريس کرنش-جابجائي    161
5-4-3-6 ماتريس سختي براي يک المان ذوزنقه اي    162
5-4-3-7 ماتريس سختي براي يک حلقه کربن    163
5-4-3-8 ماتريس سختي براي يک ورق گرافيتي تک لايه    167
5-4-3-9 مدل پيوسته به منظور تعيين خواص مکانيکي ورق گرافيتي تک لايه    168
فصل ششم
نتایج    171
6-1 نتايج حاصل از مدل انرژي-معادل    172
6-1-1 خصوصيات محوري نانولوله کربني تک ديواره    173
6-1-2 خصوصيات محيطي نانولوله کربني تک ديواره    176
6-2 نتايج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسيله نرم افزار ANSYS    181
6-2-1 نحوه مش بندي المان محدود نانولوله هاي کربني تک ديواره در نرم افزار ANSYS و ايجاد ساختار قاب فضايي و مدل سيمي به کمک نرم افزار ]54MATLAB [    182
6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربني تک ديواره    192
6-3 نتايج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسيله کد تدوين شده توسط نرم افزار MATLAB    196

فصل هفتم
نتیجه گیری و پیشنهادات     203
7-1 نتيجه گيري    204
7-2 پيشنهادات    206

فهرست مراجع     207