بررسی و مقایسه ضریب الاستیک نانوکامپوزیت های تقویت شده با نانولوله های کربنی در روش های تحلیلی، اجزای محدود و فنرمعادل

نوع مقاله: علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه قم، قم، ایران

2 استادیار گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه قم، قم، ایران

چکیده

با توجه به پیشرفت تکنولوژی و دانش بشری استفاده از نانومواد جهت مقاوم‌سازی رایج شده است. یکی از مشخصه‌های نانو و بخصوص نانولوله‌های کربنی ضریب الاستیک آنها می‌باشد که با روش‌های گوناگونی قابل محاسبه می‌باشد. روش‌های تحلیلی و اجزای محدود موجود، مقدار ضریب الاستیک نانوکامپوزیتها را بیشتر از مقادیر حاصل از نتایج آزمایشگاهی تعیین می‌کنند بدین منظور در این پژوهش ابتدا ضریب الاستیک بدست آمده در حالت اتصال کامل دو فاز و به روش تحلیلی و با استفاده از معادلات الاستیسیته حاکم بر رفتار زمینه و تقویت کننده ارائه شده است و در روش دیگر با استفاده از مدلسازی اجزای محدود به کمک نرم افزار Ansys، ضریب الاستیک حالات اتصال کامل و نیمه گسسته بین دو فاز محاسبه گردیده و در ادامه نیز با استفاده از مدل پیشنهادی که استفاده از فنر و معادل‌سازی آنها با نانولوله کربنی و کامپوزیت در حالات اتصال کامل دو فاز و نیمه گسسته می‌باشد ضریب الاستیک جدید محاسبه شده‌است. لازم به ذکر است که در روش پیشنهادی با ارائه‌ی رابطه‌ی جدید، تنش برشی موجود میان نانولوله کربنی و ماتریس زمینه نیز در نظر گرفته شده‌است. در پایان جهت اطمینان از صحت نتایج بدست آمده در تمامی روش‌ها مقایسه‌ای بین نتایج بدست آمده و نتایج آزمایشگاهی ارائه شده توسط سایر محققین صورت گرفته است که در تمامی موارد ضریب الاستیک بدست آمده در روش فنرمعادل به نمونه آزمایشگاهی و مدلهای اجزای محدود نزدیک‌تر بوده است

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Compare elastic modulus of nanocomposites reinforced with CNT in analytical methods, finite element and equivalent spring..

نویسندگان [English]

  • Seyed Mohammad Reza Hasani 1
  • Masooud Mahmoudabadi 2
1 Young Researchers and Elite Club, Department of Civil Engineering, Qom University, Qom, Iran
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Qom University, Qom, Iran.
چکیده [English]

The available analytical and finite element methods set the values of elastic modulus of nanocomposites more than the values obtained from the test. In this thesis, a new linear and continuous analysis method is used to determine the best and most similar value of elastic modulus for polymer nanocomposites to laboratory value is provided. For this purpose, the governing elasticity equations in polar coordinates have been solved for nanocomposite representative volume element (RVE) with shear-lag model by assuming perfect bond condition between CNT and matrix. Then, using the finite element modeling with Ansys software, elastic modulus of connectivity states of almost complete and half break between the two phases are calculated and finally the proposed new model that is modeling with spring in the states of almost complete connectivity and half break between the two phases are provided and elastic modulus is calculated. In this method, shear stress is also offering a new relationship between CNT and matrix areas that have been. To ensure the validity of the results of presented model to determine the elastic modulus, the obtained results are compared with laboratory method results of other researchers that in all cases the proposed elastic modulus is much closer to laboratory sample and finite element models and good agreement.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Carbon Nano Tube
  • Nano composite
  • analytical method
  • Elastic modulus
  • spring modeling

[1] Saito, R. Dresselhaus, M.S. (1998). “Physical Properties of carbon nanotubes”, Imperial College Press, pp. 35-40.

[2] Dinca, I. Stefan, A. (2012). “Nanocomposites and Nanotechnologies in Aerospace Research”, National Institute for Aerospace Research & Development “Elie Carafoli”– INCAS, Vol. 4, pp. 2-5.

[3] Gao, X.-L. Li, K. (2005). “A shear-lag model for carbon nanotube-reinforced polymer composites”, International Journal of Solids and Structures Vol. 42, pp. 1649-1667.

[4] Guzma´n de Villoria, R. Miravete, A. (2007). “Mechanical model to evaluate the effect of the dispersion in nanocomposites”, Acta Materialia, Vol. 55, pp. 3025-3031.

[5] Shokrieh, M. M. Rafiee, R. (2010). “On the tensile behavior of an embedded carbon nanotube in polymer matrix with non-bonded interphase region”, Composite Structures, Vol. 92, pp. 647-652.

[6] Shokrieh, M.M. Mahdavi, S.M. (2011). “Micromechanical model to evaluate the effects of dimensions and interphase region on the elastic modulus of CNT/polymer composites”, Modares mechanics journal, 11 Vol. 3, pp. 13-25.

[7] Zakeri, M. Shayanmehr, M. Shokrieh, M.M. (2012). “Interface modeling of nanotube reinforced nanocomposites by using multi-scale modeling method”, Modares mechanics journal, 12 Vol. 5, pp. 1-11.

[8] Giannopoulos, G.I. Georgantzinos, S.K. Anifantis, N.K. (2010). “A semi-continuum finite element approach to evaluate the Young’s modulus of single-walled carbon nanotube reinforced composites”, Composites: Part B 41, pp. 594- 601.

[9] Ci, L. Bai, J. (2006). “The reinforcement role of carbon nanotubes in epoxy composites with different matrix stiffness”, Composites Science and Technology, Vol. 66, pp. 599–603.

[10] Gómez-del Río, T. Poza, P. Rodríguez, J. García-Gutiérrez, M.C. Hernández, J.J.. Ezquerra. T.A. (2010). “Influence of single-walled carbon nano tubes on the effective elastic constants of poly (ethylene terephthalate)”, Composites Science and Technology, Vol. 70, pp. 284–290.

[11] Bhuiyan, Md. Pucha. V. Raghuram, A. Karevan, M. Kalaitzidou, K. (2011). “Tensile modulus of carbon nanotube/polypropylene composites – A computational study based on experimental characterization”,  Vol. 50, pp. 2347 2353.

[12] Mondali, M. Yoysefi, M. (2014). “Prediction a range for elastic modulus of CNT reinforced polymer composites using analytical method”, Modares mechanics journal, 14 Vol. 7, pp. 52-60.

[13] Yang, Z. McElrath, K. Bahr, J. Anne. N. Souza, D. (2012). “Effect of matrix glass transition on reinforcement efficiency of epoxy-matrix composites with single walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanofibers and graphite”, Composites: Part B ,Vol. 43 , pp. 2079-2086.

[14] Epon Resin 828. (2012). product description, Accessed on 3 March 2012.

http://www.Momentiv.com-EPON resin828.mht.

[15] Epon ® Resin Structural Reference Manual, (2001). Appendix 1 Epon Resin Curing Agent Systems, pp. 12-17.

[16] Hashemi Gahruei1, M. Golestanian, H. (2014). “Effective Mechanical Properties of Nanocomposites Reinforced With Carbon Nanotubes Bundle”, Journal of Sciences, Islamic Republic of Iran,Vol. 25(2), pp. 175–183.

[17] Golestanian, H. Shojaie. M. (2010). “Numerical characterization of CNT-based polymer composites considering interface effects”, Computational Materials Science,Vol. 50, pp. 731–736.