10171

10171

تحليل مكانيكي ميكروسكوپ نيروي اتمي مود ضربه اي در هوا و مايع در مقياس هوا

دكترا

مكانيك - طراحي كاربردي

بهمن 1390

بهمن 1390

دكتر حبيب نژاد كواريم

هدف از انجام اين تحقيق بررسي و تحليل ديناميكي ميكروسكوپ نيروي اتمي مود ضربه اي در شرايط محيطي هوا و مايع مي باشد. ميكروسكوپ نيروي اتمي به عنوان ابزاري قدرتمند و نوين در زمينه عكسبرداري از سطوح، تعيين مشخصات مكانيكي مواد و جابجايي ذرات در مقياس نانو شناخته مي شود. در مود ضربه اي اين سيستم، يك ميكروتير با ارتعاش خود مدام به سطح ضربه مي زند و سيستم كنترلي فاصله آن را از سطح از طريق حس كردن دامنه ارتعاشي ثابت نگه مي دارد. مود ضربه اي به دليل كاهش آسيب به نمونه مورد توجه است. ديناميك اين سيستم تحت تأثير نيروهاي تداخلي بين سر سوزن و سطح نمونه كه بسيار غيرخطي، سريعا متغير و هيسترتيك است ، مي باشد . در ميكروسكوپ نيروي اتمي شناخت از دنياي نانو توسط اندازه گيري مشخصه هاي فيزيكي تغييريافته حاصل مي شود. شناخت بهتر از وابستگي رفتار سيستم به مشخصه هاي فيزيكي دانشمندان را قادر مي سازد تا تصاوير و اندازه گيريهاي دقيقتري داشته باشند. در اين تحقيق ابتدا مدلسازي ديناميكي سيستم به كمك معادله ارتعاشي تير پيوسته ارائه مي گردد و مدل ارائه شده با روش شبيه سازي پيشروي زماني به همراه تابع مديريت رخداد كه مناسب ديناميك غيرخطي و هيبريدگونه اين سيستم مي باشد، به صورت عددي حل مي گردد. سپس نيروهاي محيطي مختلف در اين مدلسازي اعمال مي گردد و اثر اين نيروها بر رفتار ديناميكي سيستم مورد بررسي قرار مي گيرد. شبيه سازيهاي صورت گرفته مطابقت خوبي را با نتايج آزمايشگاهي ديگران نشان مي دهند. در محيط هوا نسبت به خلأ نيروي مويينگي اضافه مي گردد. نتايج شبيه سازي نشان دهنده آن هستند كه نيروي مويينگي با وجود داشتن طبيعت پيچيده تأثير نسبتا ساده اي بر رفتار ديناميكي سيستم دارد. نمودارهاي كمينه جدايش سر سوزن از سطح نمونه نشانگر آن هستند كه سه نوع مختلف رفتاري در فواصل مختلف وجود دارد كه عبارتند از ارتعاش متناوب با دامنه كوتاه، ارتعاش متناوب با دامنه بلند و رفتار فرامتناوب يا نامنظم. شاخه هاي رفتار متناوب به پنجره هايي از رفتار نامنظم ختم مي گردند. نتايج تحليل ديناميكي در مايع نشانگر آن است كه نيروهاي هيدروديناميكي وارده از طرف مايع سبب كاهش قابل توجهي در فركانس تشديد و همچنين دامنه تشديد مي گردد. فرمولاسيونهاي خ مختلف ارائه شده براي اعمال تأثير نيروهاي هيدروديناميكي نتايجي ارائه مي دهند كه تا حدي به نتايج آزمايشگاهي نزديك هستند، اما همه داراي درصدي خطا مي باشند. نتايج ارائه شده نشانگر آن است كه مي توان با به كارگيري مشخصه هاي هندسي مناسب و مايع مناسب به افزايش فاكتور كيفيت ارتعاشي تيرك در محيط مايع كمك كرد. همچنين مشاهده گرديد كه يك تيرك كه در هوا رفتار دوپايا از خود بروز مي داد در مايع در حوالي فركانس تشديد رفتاري تك پايا دارد. نتايج تحقيق در مورد به كارگيري نانولوله هاي كربني به عنوان سوزن تيرك ميكروسكوپ نشان دهنده آن است كه نانولوله هاي كربني بنابر ساختار خود مي توانند تا حدي فركانس تشديد را شيفت دهند. چنانچه از نانولوله هاي كربني سفتتر استفاده گردد، رفتار سيستم مشابه رفتار ميكروسكوپهاي بدون سوزن نانولوله اي است، با اين تفاوت كه مزيت نسبت ابعاد بالا همچنان وجود دارد. در به كارگيري ميكروسكوپهاي مجهز به سوزن نانولوله كربني در مايع نيز مشاهده گرديد كه دامنه ارتعاشي كمي كوچكتر از دامنه تشديد تيرك در هوا مي باشد، اما همچنان فاكتور كيفيت داراي مقدار بزرگ مناسبي مي باشد. بنابراين استفاده از سوزن نانولوله اي مي تواند مزاياي كاركرد در محيط مايع را به همراه حذف نيروهاي هيدروديناميكي قابل توجه و يا مشكلات تحريك در مايع را به همراه داشته باشد. كلمات كليدي: ميكروسكوپ نيروي اتمي مود ضربه اي، مويينگي، مايع، نانولوله كربني، ديناميك