از آنجائیکه شرکت های بزرگ در رشته نانو فناوری  مشغول فعالیت هستند و رقابت بر سر عرصه محصولات جدید شدید است و در بازار رقابت، قیمت تمام شده محصول، یک عامل عمده در موفقیت آن به شمار می رود، لذا ارائه یک مدل مناسب که رفتار نانولوله های کربن را با دقت قابل قبولی نشان دهد و همچنین استفاده از آن توجیه اقتصادی داشته باشد نیز یک عامل بسیار مهم است. به طور کلی دو دیدگاه برای بررسی رفتار نانولوله های کربنی وجود دارد، دیدگاه دینامیک مولکولی و  محیط پیوسته. دینامیک مولکولی با وجود دقت بالا، هزینه های بالای محاسباتی داشته و محدود به مدل های کوچک می باشد. لذا مدل های دیگری که حجم محاسباتی کمتر و توانایی شبیه سازی سیستمهای بزرگتر را با دقت مناسب داشته باشند  بیشتر توسعه یافته اند.

پیش از این بر اساس تحلیل های دینامیک مولکولی و اندرکنش های بین اتم ها، مدلهای محیط پیوسته، نظیر مدلهای خرپایی، مدلهای فنری، قاب فضایی، بمنظور مدلسازی نانولوله ها، معرفی شده اند. این مدلها، بدلیل فرضیاتی که برای ساده سازی در استفاده از آنها لحاظ شده اند، قادر نیستند رفتار شبکه کربنی در نانولوله های کربنی را بطور کامل پوشش دهند.

در این پایان نامه از ثوابت میدان نیرویی بین اتمها و انرژی کرنشی و پتانسیل های موجود برای شبیه سازی رفتار نیرو های بین اتمی استفاده شده و به بررسی و آنالیز رفتار نانولوله های کربنی از چند دیدگاه  مختلف می پردازیم

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                             صفحه

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 معرفی نانولوله‌های کربنی.. 5

   1-2-1 ساختار نانو لوله‌های کربنی.. 5

   1-2-2 کشف نانولوله. 7

1-3 تاریخچه. 10

فصل دوم.

خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی.. 14

2-1 مقدمه. 15

2-2 انواع نانولوله‌های کربنی.. 16

   2-2-1 نانولوله‌ی کربنی تک دیواره (SWCNT). 16

   2-2-2 نانولوله‌ی کربنی چند دیواره(MWNT). 19

2-3 مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی.. 21

   2-3-1 ساختار یک نانو لوله تک دیواره 21

   2-3-2 طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره 24

2-4 خواص نانو لوله های کربنی.. 25

   2-4-1 خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن.. 29

       2-4-1-1 مدول الاستیسیته. 29

       2-4-1-2 تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک… 33

       2-4-1-3 تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها 36

2-5 کاربردهای نانو فناوری.. 39

   2-5-1 کاربردهای نانولوله‌های کربنی.. 40

       2-5-1-1 کاربرد در ساختار مواد. 41

       2-5-1-2 کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی.. 43

       2-5-1-3 کاربردهای شیمیایی.. 46

       2-5-1-4 کاربردهای مکانیکی.. 47

فصل سوم.

روش های سنتز نانو لوله های کربنی 55

3-1 فرایندهای تولید نانولوله های کربنی.. 56

   3-1-1 تخلیه از قوس الکتریکی.. 56

   3-1-2 تبخیر/ سایش لیزری.. 58

   3-1-3 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD). 59

   3-1-4 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD ) 61

   3-1-5 رشد فاز  بخار. 62

   3-1-6 الکترولیز. 62

   3-1-7 سنتز شعله. 63

   3-1-8 خالص سازی نانولوله های کربنی.. 63

3-2 تجهیزات.. 64

   3-2-1 میکروسکوپ های الکترونی.. 66

   3-2-2 میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM). 67

   3-2-3 میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی(SEM). 68

   3-2-4 میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM). 70

       3-2-4-1 میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM). 70

       3-2-4-2 میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (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 مقیاس نانو. 75

   4-2-1 مواد محاسباتی.. 75

   4-2-2 مواد نانوساختار. 76

4-3 مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو. 77

   4-3-1 چارچوب های تئوری در تحلیل مواد. 77

       4-3-1-1 چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد. 77

4-4 روش های شبیه سازی.. 79

   4-4-1 روش دینامیک مولکولی.. 79

   4-4-2 روش مونت کارلو. 80

   4-4-3 روش محیط پیوسته. 80

   4-4-4 مکانیک میکرو. 81

   4-4-5 روش المان محدود (FEM). 81

   4-4-6 محیط پیوسته مؤثر. 81

4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی.. 83

   4-5-1 مدلهای مولکولی.. 83

       4-5-1-1 مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی) 83

       4-5-1-2 روش اب انیشو. 86

       4-5-1-3 روش تایت باندینگ… 86

       4-5-1-4 محدودیت های مدل های مولکولی.. 87

   4-5-2 مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها 87

       4-5-2-1مدل یاکوبسون. 88

       4-5-2-2مدل کوشی بورن. 89

       4-5-2-3مدل خرپایی.. 89

       4-5-2-4مدل  قاب فضایی.. 92

4-6 محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته. 95

   4-6-1 کاربرد مدل پوسته پیوسته. 97

   4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل.. 97

   4-6-3 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله. 98

   4-6-4 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله. 99

   4-6-5 محدودیتهای مدل پوسته پیوسته. 99

       4-6-5-1محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته. 99

       4-6-5-2محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته. 99

   4-6-6 کاربرد مدل تیر پیوسته   100

فصل پنجم.

مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی 102

5-1 مقدمه. 103

5-2 نیرو در دینامیک مولکولی.. 104

   5-2-1 نیروهای بین اتمی.. 104

       5-2-1-1پتانسیلهای جفتی.. 105

       5-2-1-2پتانسیلهای چندتایی.. 109

   5-2-2 میدانهای خارجی نیرو. 111

5-3 بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته. 111

5-4 ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی.. 113

   5-4-1 مدل انرژی- معادل. 114

       5-4-1-1 خصوصیات  محوری نانولوله های کربنی تک دیواره 115

       5-4-1-2 خصوصیات  محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره 124

   5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS. 131

       5-4-2-1 تکنیک عددی بر اساس المان محدود. 131

       5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS. 141

   5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB.. 155

       5-4-3-1 مقدمه. 155

       5-4-3-2 ماتریس الاستیسیته. 157

       5-4-3-3 آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی.. 158

       5-4-3-4 تعیین و نگاشت المان. 158

       5-4-3-5 ماتریس کرنش-جابجائی.. 161

       5-4-3-6 ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای.. 162

       5-4-3-7 ماتریس سختی برای یک حلقه کربن.. 163

       5-4-3-8 ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه. 167

       5-4-3-9 مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه. 168

فصل ششم.

نتایج   171

6-1 نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل. 172

   6-1-1 خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره 173

   6-1-2خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره 176

6-2 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS. 181

   6-2-1 نحوه مش بندی المان محدود نانولوله های کربنی تک دیواره در نرم افزار ANSYS و ایجاد ساختار قاب فضایی و مدل سیمی به کمک نرم افزار ]54MATLAB [. 182

   6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره 192

6-3 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB.. 196

فصل هفتم.

نتیجه گیری و پیشنهادات 203

7-1 نتیجه گیری.. 204

7-2 پیشنهادات.. 206

فهرست مراجع 207

فهرست علائم

تعریف                                                                                                علائم اختصاری     

SWCNTs : Single-Walled Carbon Nanotubes

MWCNTs : Multi-Walled Carbon Nanotubes

CNTs : Carbon Nano Tubes

MWNTs : Multi-Walled Nano Tubes

FED : Field Emission Devices

TEM : Transmission Electron Microscope

SEM : Scanning Electron Microscopy

CVD : Chemical Vapor Deposition

PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

SPM : Scanning Probe Microscopy

NEMs : Nano Electro Mechanical System

AFM : Atomic Force Microscopy

STM : Scanning Tunnelling Microscopy

FEM : Finite Element Modeling

ASME : American Society of Mechanical Engineers

RVE : Representative Volume Element

SLGS: Single-Layered Grephene Sheet

 مراجع

1-     http://www.irannano.org ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

2-     S. Iijima, Nature 354 (1991) 56–58

3-     Sumio Iijima, “Carbon nanotubes: past, present, and future”, Physica B, 2002 , 323 1–5

4-     Dong Qian, Gregory J Wagner, and Wing Kam Liu, Mechanics of carbon nanotubes

5-     V.M. Harik, T.S. Gates and M.P. Nemeth, Applicability of the Continuum-shell Theories to the Mechanics of Carbon Nanotubes, NASA/CR-2002-211460 ICASE Report No. 2002-7

6-     H. Rafii-Tabar. Computational modeling of thermo-mechanical and transport properties of carbon nanotubes Physics Reports 390 (2004) 235.

7-     Deepak Srivastava, Chenyu Wei and Kyeongjae Cho, Nanomechanics of Carbon Nanotubes and Composites, Applied Mechanics Review Vol. 56,No. 2,2003.

دانلود فایل