20219

۲۰۲۱۹

مطالعه اثر نقص نانولوله روى خواص مكانيكى نانوكامپوزيت‌هاي نانولوله/رزين اپوكسي

دكتراي تخصصي

شيمي فيزيك

۱۳۹۰

۱۳۹۷/۲/۲

دكتر سيد مجيد هاشميان زاده - دكتر محمود مهرداد شكريه

دكتر محمدرضا نعيمي جمال

شيمي

هدف اين رساله مطالعه اثر نانولوله¬هاي نقص¬دار روي خواص نانوكامپوزيت¬هاي نانولوله/رزين اپوكسي در سطوح اتمي با استفاده از شبيه¬سازي¬ ديناميك مولكولي و محاسبات كوانتومي است. مدل¬هاي پليمر و نانوكامپوزيت به كمك نرم افزار LAMMPS و يك الگوريتم كدنويسي¬شده، تحت فرايند پخت قرار گرفتند. خواص ترمومكانيكي پليمرِ خالصِ ايجادشده توسط فرايند پخت و مقايسه نتايج حاصل از شبيه¬سازي با مقادير تجربي، موًيد درستي الگوريتم فرايندِ پخت و اهميت اين فرايند در مدل¬سازي و شبيه¬سازي پليمرها است. در اين پژوهش به¬منظور انتخاب مدل درست، ابتدا شبيه¬سازي ديناميك مولكولي غيرتعادلي در مجموعه هم¬دما-هم¬فشار انجام شد تا اثر طول نانولوله روي سفتي طولي نانوكامپوزيت مطالعه شود. نتايج نشان مي¬دهد كه كارايي و بازده نانولوله محصور، ثابت نبوده و با كاهش طول نانولوله كمتر مي¬شود. در اين راستا رابطه¬اي استخراج شد كه توسط آن سفتي موثرِ نانولولهِ محصور را بر حسب طول نانولوله پيش¬بيني مي¬كند. اين رابطه براي پيش¬بيني مدول الاستيك نانوكامپوزيت مورد استفاده قرار گرفت و نتايج حاصل با مقادير تجربي ارزيابي شد. بر مبناي نتايج حاصل از بخش قبل، نانولوله كربني بلند به عنوان بهترين مدل براي ايجاد حجمِ معرفِ نانوكامپوزيت استفاده شد. سپس خواص نانوكامپوزيت¬¬هاي حاوي نانولوله بدون نقص و همچنين نانولوله¬هاي حاوي تعداد متفاوتي از نقص¬هاي تروور-استون-والز و جاي‌خالي مطالعه شد. با بررسي اثر حضور نانولوله بدون نقص در بستر رزين، مشاهده مي‌شود كه برخلاف سفتيِ كششي نانوكامپوزيت در راستاي عمود بر سطح نانولوله و راستاي طولي نانولوله، مدول برشي نانوكامپوزيت، نسبت به پليمر خالص تضعيف مي‌گردد. نتايج نشان مي¬دهد كه هر چند حضور نقص¬ها در ساختار نانولوله، خواص مكانيكي نانولوله ايزوله را تضعيف مي‌كند، ولي موجب بهبود خواص نانوكامپوزيت مي¬شوند. براي توصيف اين نتايج، مكانيزم انتقال نيرو در فاز مياني نانو لوله-پليمر به كمك شبيه¬سازي استحكامِ برشي فازِ مياني، مطالعه شد. همچنين مطالعه توزيع پليمر در اطراف نانولوله، حاكي از اين است كه پليمر تا فاصله¬اي مشخص از سطح نانولوله داراي خواصي متفاوت از پليمرِ خالص است. بنابراين، نقص¬ها از طريق تقويت برهم¬كنش بين نانولوله و پليمر و در نتيجه بهبود استحكام برشي فاز مياني، موجب افزايش مدول برشي در راستاي طولي و عرضي مي¬شوند. علاوه بر اين، براي مطالعه حالت¬هاي حدي نقص¬هاي ناخالصي، نانوكامپوزيت¬هاي حاوي نانولوله‌هاي كربني، سيليكون-كاربيدي و بور-نيتريدي شبيه¬سازي و مقايسه شدند.

1397/12/25

Study of Defect Effects of Nanotube on the Mechanical Properties of CNT/Epoxy Resin Nano-Composites

4/22/2019 12:00:00 AM

This study aimed to research on the effect of the carbon nanotubes (CNT) with structural defects on the properties of the CNT/epoxy nanocomposite at atomic levels using molecular dynamics (MD) simulation and quantum calculations . The simulation models are constructed via an in-situ curing process performed using the LAMMPS software and an in-house code. The obtained thermomechanical properties of the cross-linked pure polymer and comparing the results with experimental counterparts demonstrate the validity of the curing process, and highlights the importance of curing process in the modeling of thermoset polymers. In order to choose the correct simulation model, in the present study, the non-equilibrium MD simulation was utilized to consider the influence of the CNT length on the nanocomposites stiffness through the isothermal isobaric ensemble. The results indicated that reinforcing efficiency of the embedded CNT is not constant and reduce for shorter CNTs. On the other hand, due to the Van der Waals interactions between the CNT and polymer atoms, the CNT-polymer bonding could not be assumed as a perfect bound. Subsequently, a relationship formula was derived to predict the effective stiffness of an embedded CNT in terms of its length. This relationship is used to predict more accurate elastic modulus of nanocomposite, that was validated using published experimental data. Based on our pervious findings, the continuous single wall carbon nanotube (SWCNT) as a long nanofiber has been considered to construct the nanocomposite representative volume elements (RVEs). The mechanical behavior of RVEs has been studied in the presence of pristine SWCNT and the SWCNTs including Thrower-Stone-Wales and vacancy defects. The results indicated that despite the enhancement of longitudinal and transverse Young's moduli, the shear moduli of the nanocomposite including the pristine SWCNT were reduced compared to the pure polymer. It was shown that although the presence of defects weakens the elastic properties of isolated SWCNTs, they improve the nanocomposite properties. To explain these findings, the influence of defects on the structural integrity of nanocomposite and interfacial bonding strength have been investigated. Also, the CNT-polymer interface was studied to analyze the mechanism of load transfer through interfacial shear strength simulation test. The distribution analysis of the polymer around the CNT indicated that the polymer properties at a certain distance from the CNT surface, differ from the pure polymer. Therefore, the defects cause to increase the longitudinal and transverse shear moduli through improvement of the CNT-polymer interaction and consequently enhancement of interfacial shear strength. Furthermore to study the extreme states of impurity defects, additional simulations were performed, in which the performance of carbon, silicon carbide and boron nitride nanotubes are compared.