(۱-۳)
۱-۵-۳- برای ماده با خواص ایزوتروپیک:
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
(۱-۴)
۱-۶- اهداف پروژه
در این پایان نامه تحلیل پایداری تیر کامپوزیتی تقویت شده با نانولولههای کربنی روی تکیه گاه الاستیک تحت نیروی محوری برای حالت توزیع یکنواخت[۱۱] نانولوله ها مورد بررسی قرار گرفته است و در پایان برای ضرایب مختلف بستر الاستیک نتایج بررسی شده است.
به طور خلاصه اهداف زیر در این پایان نامه دنبال می شوند:
-
- به دست آوردن بار کمانش مکانیکی بی بعد شده تیر کامپوزیتی در حالت همراه با نانولوله کربنی و مقایسه آن با حالت ایزوتروپیک
-
- بررسی اثر مقدار کسر حجمی نانولوله بر روی کمانش مکانیکی بی بعد شده
-
- بررسی اثر بستر الاستیک بر روی بارکمانش مکانیکی بی بعد شده در حالتهای همراه با نانولوله کربنی و بدون نانولوله کربنی
فصل دوم
مروری بر کار های انجام شده
۲-۱- مقدمه
با توجه به گسترش روز افزون فناوری نانو و ایجاد تحولات بزرگ در صنایع مختلف توسط این فناوری، لازم است که هر کسی بسته به تخصص خود اطلاعی هر چند کلی از کاربردها و قابلیت های فناوری نانو داشته باشد. در این پایان نامه ابتدا توضیحی کلی راجع به فناوری نانو داده شده است و با توجه به اهمیت و نقش گسترده نانو لوله کربنی در فناوری نانو، این ماده معرفی و خواص آن ذکر شده است، در ادامه به توضیح برخی از کاربردهای نانولوله ها در صنایع مرتبط با مهندسی مکانیک مانند کامپوزیت ها پرداخته شده است.
یک نانومتر یک میلیاردیوم یک متر است بنابراین علم نانو آن بخش از علم است که ماده را در مقیاسی بسیار کوچک بررسی می کند و فناوری نانو به تولید و ساخت و در مقیاس مولکولی و اتمی می پردازد یا به عبارت دیگر با اجسام و ساختارها و سیستم هایی سروکار دارد که حداقل در یک بعد اندازهای کمتر از ۱۰۰ نانو متر دارند.
۲-۲- تاریخچه و سیر تکاملی نانو
گذری بر تاریخچه نانو فناوری به ما کمک خواهد کرد که آن را بهتر بشناسیم و دریابیم که اهمیت آن چیست و چگونه آینده جهان را تغییر خواهد داد.
داستان نانوفناوری از دهه های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ آغاز می گردد که اکثر مهندسان به چیزهای بزرگ، و نه چیزهای کوچک فکر می کردند. آن دوره، عصر ماشینهای بزرگ، بمب های بزرگ اتمی، جتهای بزرگ و نقشه های بزرگ برای فرستادن انسان به فضا بود. آسمان خراش های بزرگ مثل مرکز تجارت جهانی در سال ۱۹۷۰ تکمیل شد و در اکثر شهرهای بزرگ، برج های بلند احداث شدند. بزرگترین تانکرهای حمل نفت جهان، بزرگترین کشتی های مسافربری، پل ها، آزادراه های طولانی و نیروگاه های بزرگ همه و همه محصول آن عصر بودند. اما در همان دوره محققانی بودند که تمرکزشان بر چیزهای کوچک بود. در دهه های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ صنعت الکترونیک، حرکت توقف ناپذیر خود را در جهت کوچک تر کردن چیزها آغاز کرد. اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۷ و اولین مدار مجتمع در سال ۱۹۵۹، شروع عصر مینیاتوری کردن الکترونیک بود. همین ادوات کوچک، ساخت چیزهای بزرگ مثل فضا پیما را ممکن ساختند. چندین دهه بعد، با افزایش تقاضا برای کاربردهای محاسباتی سنگین و کامپیوترهای قوی، ترانزیستورها و مدارات مجتمع، کوچک و کوچکتر شدند تا جایی که در سال ۱۹۸۰، دانشمندان حدی برای این سیر تحولی پیش بینی کردند و جست و جو برای روشهای کاملاً جدید و متفاوت آغاز شد.
۲-۳- تعریف فناوری نانو
با مرور تاریخ علم و فناوری، می بینیم که هر از گاهی با کشفی تازه یا اختراعی نوع، نقطه عطفی در مسیر پیشرفت فناوری بشر خلق می شود و موجی نو به راه می افتد. جوامعی که در آن لحظه در خواب نباشند و سوار موج گردند پیشرفت می کنند و به سهم خود از فناوری خواهند رسید. مثال روشن این موضوع در تاریخ معاصر علم اختراع ترانزیستور نیمه هادی و ظهور علم جدید الکترونیک بود که به سرعت تکامل یافت و با پیدایش کامپیوترهای فوق العاده سریع و سایر ادوات الکترونیکی پیشرفته بر تمام شاخه های دیگر هم تأثیر گذاشت و به فراهم سازی بستر انتقال سریع، بی وقفه و پرحجم اطلاعات و بالاخره پیدایش عصر فناوری اطلاعات[۱۲] منجر گردید و هم اکنون شاهد آثار آن در زندگی روزمره مان هستیم. پیشرفت الکترونیک با مینیاتوری کردن ترانزیستورها و کاهش اندازه و توان مصرفی آنها و نیز افزایش سرعت، دقت و تراکم آنها روی تراشههای نیمه هادی حاصل شد. فناوری سنتی میکروالکترونیک با رسیدن به ایجاد حدود چند ده نانومتری نزدیک نقطه پایانی خود بود که ناگهان زمزمههای نانوفناوری به گوش رسید و بشر دریافت که با تکیه بر این فناوری، نه تنها می تواند نقطه عطفی در الکترونیک را رقم بزند، با توجه به خواص کاملاً جدید و منحصر به فرد ذرات در ابعاد نانومتری این فناوری می تواند تحولی عظیمتر، سریع تر و فراگیرتر از هر آنچه تا به حال بشر به آن رسیده بود را ایجاد کند. با توجه به تعاریف ارائه شده:
۱- نانوفناوری به معنی دقیق توسعه فناوری در بازه یک نانومتری تا ۱۰۰ نانومتر می باشد.
۲- نانوفناوری بر پایه توانایی کنترل یا کارکردن با اندازه های اتمی بینان گذاشته شده است.
۲-۴- نانولوله های کربنی
۲-۴-۱- ساختار نانولوله های کربنی
نانولوله های
کربنی[۱۳] نوعی آلوتروپ[۱۴] کربن هستند که اخیراً کشف شده اند آنها استوانهای شکلاند و خواص شگفت انگیزی دارند که برای به کارگیری در بسیاری کاربردهای نانوفناوری، الکترونیک، اپتیک و حوزه های دیگر علم مواد مناسب اند. آنها استحکامی خارق العاده و خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند و نیز هادی خوبی برای حرارت اند. نانولوله عضوی از خانواده فلورین هاست که باکی بال را نیز شامل می شود. فلورینها خوشه بزرگی از اتمهای کربنی در قالب کربن در قالب یک قفس بستهاند و از ویژگیهای خاصی برخوردارند که پیش از این در هیچ ترکیب دیگری یافت نشده بودند. بنابراین فلورین ها به طور کلی خانواده ای جالب توجه از ترکیب ها را تشکیل می دهند که یقیناً در کاربردها و فناوری های آینده استفاده وسیع خواهند داشت.
شکل (۲-۱) برخی آلوتروپ های کربنی
ساختارهای عجیب و زیادی از فلورینها وجود دارد؛ شامل: کروی منظم، مخروطی، لوله ای و همچنین اشکال پیچیده و عجیب دیگر. در اینجا به توضیح مهمترین و معروف ترین آنها می پردازیم. ساختار باکی بال به شکل کره و نانولوله به شکل استوانه است (که معمولاً یکی یا هر دو سر آن با درپوش نیم کروی از ساختار باکی بال پوشیده شده است). نام آن از اندازه اش گرفته شده، زیرا قطر آن در ابعاد نانومتر (تقریباً ۵۰۰۰۰ برابر کوچکتر از قطر موی سر انسان). این در حالی است که طول آن می تواند به بلندی چند میلی متر برسد. طول بلند چندین میکرونی و قطر کوچک چند نانومتری آنها نسبت به قطر بسیار بزرگی را نتیجه میدهد. لذا میتوان آنها را تقریباً به صورت فلورینهای یک بعدی در نظر گرفت. به این ترتیب انتظار میرود این مواد خاص جالب الکترونیکی، مکانیکی و مولکولی ویژهای برخوردار باشند. در اوایل تمام مطالعات تئوری نانولولهای کربنی به بررسی اثر ساختار تقریباً یک بعدی آنها بر خواص مولکولی و الکترونیکی شان معطوف می شد.
نانولوله ها در دو دسته اصلی هستند:
۱- نانولوله های تک جداره[۱۵] ۲- نانولوله های چندجداره [۱۶]
نانولوله های تک جداره را می توان به صورت ورقه های بلند گرافیت در نظر گرفت که به شکل استوانه پیچیده شده اند. نسبت طول به قطر نانولوله ها حدود ۱۰۰۰ می باشد و همان گونه که قبلاً ذکر شد می توان آنها را به عنوان ساختارهای تقریباً یک بعدی در نظر گرفت. نانولوله ها تماماً از پیوند مشابه گرافیت تشکیل شده اند. این ساختار پیوند از پیوند موجود در الماس قوی تر است و استحکام منحصر به فردی به این مولکول ها می دهد. نانولوله ها معمولاً تحت فشار نیروهای واندروالسی[۱۷] به شکل ریسمان به هم می چسبند. نانولوله ها تحت فشار زیاد می توانند با هم ممزوج و متصل شوند و این امکان به وجود می آید که بتوان سیم هایی به طول نامحدود و بسیار مستحکم تولید کرد.
۲-۴-۲- کشف نانولوله
در سال ۲۰۰۶ مارک مونتیوکس[۱۸] ودلادیمیر کوزنتسف[۱۹] در مقالهای در نشریه کربن به بیان مبدأ و منشأ نانولولهها پرداختند. اغلب مقالات معروف و علمی، کشف لولههای نانومتری توخالی کربنی را به سومیو ایجیما[۲۰]از کمپانی NECدر سال ۱۹۹۱ نسبت می دهند ولی تاریخ لوله های نانومتری کربنی گرافیتی به گذشتهای دور و به سال ۱۹۵۲ برمیگردد. در آن سال رادوسکویچ[۲۱] و لوکیانویچ[۲۲]تصاویری واضح از لولههای ۵۰ نانومتری کربنی را در نشریه روس شیمی فیزیکی به چاپ رساندند. چه بسا نانولولههای کربنی حتی قبل از آن سال هم ساخته شده بودند ولی تا زمان اختراع میکروسکوپ های ارسال الکترونی[۲۳] امکان مشاهده مستقیم این ساختارها فراهم نبوده است. دانشمندان در غرب متوجه این کشفت نشده بودند زیرا به دلیل جنگ سرد تبادل اطلاعاتی بین شرق و غرب بسیار ضعیف بود و مقاله نیز به زبان روسی به چاپ رسیده بود.
قبل از اولین تولید مصنوعی و کشف فلورین های کوچکتر و این باور وجود داشت که این مولکول های کروی بزرگ عموماً ناپایدارند. اما محاسبات چند دانشمند روسی نشان داد که مولکول در حالت گازی پایدار است و شکاف باند بزرگی دارد. فلورین ها نیز مشابه اغلب کشفیات بزرگ علمی دیگر به طور تصادفی کشف شدند. در سال ۱۹۸۵ کروتو و اسمالی با نتایج عجیبی در طیف جرمی کربن تبخیر یافته مواجه شدند. پس از این حادثه فلورین ها کشف شدند و پایداری آنها در حالت گازی اثبات شد. اولین مشاهدات فلورین ها در طیف نگاری جرمی غیرمنتظره بود و اولین روش تولید انبوده توسط کرچمر[۲۴] و هافمن[۲۵] تا سال ها قبل از پی بردن به آن که این روش فلورین تولید می کند، استفاده می شده است.
جست و جو برای دیگر فلورین ها نیز آغاز شد و در سال ۱۹۹۱ نانولوله های کربنی توسط ایجیما و همکارانش کشف شدند. کشف نانولوله های کربنی توسط ایجیما در
ماده حل نشدنی لولههای گرافیتی سوخته شده در دوره حاصل از تخلیه قوس الکتریکی دو میله کربنی سرچشمه فناوری امروزی نانو درباره نانولوله های کربنی شد. این کشفی اتفاقی در ارتباط با فلورین ها بود؛ هرچند برای تولید فلورین ها با کمینسر؛ روش تخلیه قوس الکتریکی به خوبی شناخته شده بود از آن پس محققان زیادی در سراسر جهان به مطالعه و بررسی این نانولوله ها مشغولند.
به نظر میرسد نانولوله ها به طرز غیرمترقبه ای کشف شده اند لیکن در مقاله ای که توسط ابرلین[۲۶]، اندو[۲۷] و کویاما[۲۸] در سال ۱۹۶۷ چاپ شد فیبرهای توخالی کربنی در ابعاد نانومتری به روش رشد بخار به وضوح نشان داده شده بودند. همچنین در سال ۱۹۸۷ در آمریکا اختراعی به نام جورج تننت[۲۹] برای تولید «فیبرهای مجازی استوانهای کربن»[۳۰] با قطری بین ۵/۳ تا ۷۰ نانومتری و طولی حدود ۱۰۲ برابر قطر آن ثبت شد. اخیراً کشف نانولولههای کربنی را به آن دو و شفاف سازی ساختار نانولولهها را به ایجیما نسبت می دهند. یک منظر از ساختار نانولولههای کربنی ساختار یک بعدی و درون تهی آنهاست. ساختار یک بعدی آنها بسیار مورد توجه فیزیک دانهاست زیرا امکان آزمایش در فیزیک کوانتوم یک بعدی را برای آنها فراهم می سازد. ساختار درون تهی آنها هم بسیار مورد توجه شیمی دان هاست زیرا امکان درگیری مولکول ها واکنش در فضای محصور و رهاسازی کنترل شده مولکول ها برای مصارفی نظیر رساندن دارو به بدن را پدید می آورد.
۲-۴-۳- تاریخچه نانولوله ها
۱۹۵۲
-
- رادوسکویچ[۳۱]و همکارانش در مقاله ای در نشریه روسی شیمی فیزیک رشته های درون تهی کربن گرافیتی به قطر ۵۰ نانومتری را نشان می دهد.
۱۹۷۶
-
- اندو[۳۲]و همکارانش رشد CVDفیبرهای کربنی در ابعاد نانومتری را گزارش می دهند.
