عنوان :

مقاله مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

تعداد صفحات : ۲۱۰

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

  کربن به خاطر نقش مهمی که در پیوندهای مولوکول های بنیادی در زندگی ما دارد، و به خاطر طبیعت منحصر بفرد پیوند کربن-کربن، بسیار مورد توجه قرار می گیرد.

این طبیعت متمایز در پیوند کربن-کربن، به آن اجازه تشکیل نانو ساختارهای جالبی از جمله نانولوله های کربنی، که شاید بتوان گفت که از هر نانوساختار دیگری پتانسیل کاربردی بیشتری دارد، را می دهد. خواص مکانیکی  و رفتار شگفت انگیز نانو لوله های کربنی باعث جذب روز افزون جامعه مهندسی مکانیک به سمت خود می شود.

در این تحقیق به بررسی و آنالیز رفتار نانولوله های کربنیاز چند دیدگاه  مختلف پرداختیم، و مدل های تدوین شده به شرح زیر ارائه شدند:

مدل انرژی- معادل
مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS
مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB

مقاله در ۶ فصل که فصل اول ابتدا به تعریف فناوری نانو، معرفی ساختار نانو لوله‌های کربنی و کشف نانو لوله می پردازد. نانو لوله‌های کربنی (CNTs) یک نوع آلوتروپ کربن هستند که  اخیراً کشف شده‌اند. آنها به شکل مولکول استوانه‌ای هستند و خواص شگفت انگیزی دارند که آنها را برای بکارگیری در بسیاری  از  کاربردهای نانوفناوری، الکترونیک، اپتیک و حوزه‌های دیگر علم مواد مناسب می سازد. آنها دارای استحکام خارق العاده‌ای بوده، خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند، و هادی کارآمدی برای حرارت هستند.

در فصل دوم انواع، خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی ، در فصل سوم روشهای زیادی برای ساختن نانولوله ها و فولرنها وجود دارند. فولرنها، نخستین بار  از  طریق تبخیر گرافیت با یک لیزر (سایش لیزری) مشاهده شده بودند. در هر صورت، در ابتدا، این روش برای تهیه مقادیر در حد گرم و یا بیشتر عملی عملی نبود. نانوتیونهای کربنی احتمالاً  از  خیلی وقتهای پیش وجود داشته‌اند و در حین رسوب گذاری فاز  بخار کربن دیده شده‌اند اما میکروسکوپ های الکترونی هنوز به اندازه کافی توسعه داده نشده بود که شکلها و انواع مختلف نانولوله ها را  از  هم متمایز نموده و تشخیص دهد. تعدادی از روش هایی که در تولید نانولوله ها (تک دیواره و چند دیواره) کاربرد دارند آورده شده اند.

در فصل چهارم توجه به تحقیقات وسیع در زمینه نانو تکنولوژی، از جمله نانو مکانیک، و گران بودن ابزارآلات  آزمایشگاهی و همین‌طور نیاز  به پیش بینی رفتار مواد در این مقیاس، روشهای مدل سازی جایگاه ویژه­ای در این حوزه یافته­اند. روشهای شبیه‌سازی مکانیکی در مقیاس نانو علاوه بر مزیت مذکور توانایی ما را در درک میکرو و نانو مکانیزمهای مختلف در پدیده‎های مکانیکی  از  جمله پلاستیسیته و شکست بالا می­برند. این درک بهتر ما را در طراحی موادی با عملکرد  بهینه­تر رهنمون خواهد ساخت .

به این منظور در پروژه به بررسی برخی  از  روشهای عددی در حیطه روشهای پیوسته به منظور بررسی مکانیکی مواد در مقیاس نانو شامل روش تعادل-انرژی و روش اجزاء محدود خواهیم پرداخت و نقاط ضعف و قوت آنها را بررسی می‌کنیم. در بخش بعد با استفاده  از  روشهای مذکور مسائلی را در دو و سه بعد حل می‌کنیم.

در فصل پنجم ابتدا به بیان تاریخچه ای از مدل ها پرداخته می شود وسپس به شرح مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانولوله های کربنی می پردازیم.در فصل ششم نتایج حاصل از مدل ها را توضیح و در نهایت به نتیجه گیری پایان می یابد.

واژه های کلیدی: نانولوله های کربنی ، خواص مکانیکی، محیط پیوسته ، تعادل- انرژی ، اجزاء محدود ، ورق گرافیتی تک لایه،  ماتریس سختی.

فهرست مطالب

چکیده    ۱
فصل اول
مقدمه نانو    ۳
۱-۱ مقدمه    ۴
۱-۱-۱ فناوری نانو    ۴
۱-۲ معرفی نانولوله‌های کربنی    ۵
۱-۲-۱ ساختار نانو لوله‌های کربنی    ۵
۱-۲-۲ کشف نانولوله    ۷
۱-۳ تاریخچه    ۱۰
فصل دوم
خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی    ۱۴
۲-۱ مقدمه    ۱۵
۲-۲ انواع نانولوله‌های کربنی    ۱۶
۲-۲-۱ نانولوله‌ی کربنی تک دیواره (SWCNT)    ۱۶
۲-۲-۲ نانولوله‌ی کربنی چند دیواره (MWNT)    ۱۹
۲-۳ مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی    ۲۱
۲-۳-۱ ساختار یک نانو لوله تک دیواره    ۲۱
۲-۳-۲ طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره    ۲۴
۲-۴ خواص نانو لوله های کربنی    ۲۵
۲-۴-۱ خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن    ۲۹
۲-۴-۱-۱ مدول الاستیسیته    ۲۹
۲-۴-۱-۲ تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک    ۳۳
۲-۴-۱-۳ تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها    ۳۶
۲-۵ کاربردهای نانو فناوری    ۳۹
۲-۵-۱ کاربردهای نانولوله‌های کربنی    ۴۰
۲-۵-۱-۱ کاربرد در ساختار مواد    ۴۱
۲-۵-۱-۲ کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی    ۴۳
۲-۵-۱-۳ کاربردهای شیمیایی    ۴۶
۲-۵-۱-۴ کاربردهای مکانیکی    ۴۷
فصل سوم
روش های سنتز نانو لوله های کربنی     ۵۵
۳-۱ فرایندهای تولید نانولوله های کربنی    ۵۶
۳-۱-۱ تخلیه از قوس الکتریکی    ۵۶
۳-۱-۲ تبخیر/ سایش لیزری    ۵۸
۳-۱-۳ رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD)    ۵۹
۳-۱-۴ رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD )    ۶۱
۳-۱-۵ رشد فاز  بخار    ۶۲
۳-۱-۶ الکترولیز    ۶۲
۳-۱-۷ سنتز شعله    ۶۳
۳-۱-۸ خالص سازی نانولوله های کربنی    ۶۳
۳-۲ تجهیزات    ۶۴
۳-۲-۱ میکروسکوپ های الکترونی    ۶۶
۳-۲-۲ میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)    ۶۷
۳-۲-۳ میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی (SEM)    ۶۸
۳-۲-۴ میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM)    ۷۰
۳-۲-۴-۱ میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM)    ۷۰
۳-۲-۴-۲ میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (STM)    ۷۱
فصل چهارم
شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته    ۷۳
۴-۱ مقدمه    ۷۴
۴-۲ مواد در مقیاس نانو    ۷۵
۴-۲-۱ مواد محاسباتی    ۷۵
۴-۲-۲ مواد نانوساختار    ۷۶
۴-۳ مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو    ۷۷
۴-۳-۱ چارچوب های تئوری در تحلیل مواد    ۷۷
۴-۳-۱-۱ چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد    ۷۷
۴-۴ روش های شبیه سازی    ۷۹
۴-۴-۱ روش دینامیک مولکولی    ۷۹
۴-۴-۲ روش مونت کارلو    ۸۰
۴-۴-۳ روش محیط پیوسته    ۸۰
۴-۴-۴ مکانیک میکرو    ۸۱
۴-۴-۵ روش المان محدود (FEM)    ۸۱
۴-۴-۶ محیط پیوسته مؤثر    ۸۱
۴-۵ روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی    ۸۳
۴-۵-۱ مدلهای مولکولی    ۸۳
۴-۵-۱-۱ مدل مکانیک مولکولی ( دینامیک مولکولی)    ۸۳
۴-۵-۱-۲ روش اب انیشو    ۸۶
۴-۵-۱-۳ روش تایت باندینگ    ۸۶
۴-۵-۱-۴ محدودیت های مدل های مولکولی    ۸۷
۴-۵-۲ مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها       ۸۷
۴-۵-۲-۱ مدل یاکوبسون    ۸۸
۴-۵-۲-۲ مدل کوشی بورن    ۸۹
۴-۵-۲-۳ مدل خرپایی    ۸۹
۴-۵-۲-۴ مدل  قاب فضایی    ۹۲
۴-۶ محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته    ۹۵
۴-۶-۱ کاربرد مدل پوسته پیوسته    ۹۷
۴-۶-۲ اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل    ۹۷
۴-۶-۳ اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله    ۹۸
۴-۶-۴ اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله    ۹۹
۴-۶-۵ محدودیتهای مدل پوسته پیوسته    ۹۹
۴-۶-۵-۱ محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته    ۹۹
۴-۶-۵-۲ محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته    ۹۹
۴-۶-۶ کاربرد مدل تیر پیوسته      ۱۰۰
فصل پنجم
مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی     ۱۰۲
۵-۱ مقدمه    ۱۰۳
۵-۲ نیرو در دینامیک مولکولی    ۱۰۴
۵-۲-۱ نیروهای بین اتمی    ۱۰۴
۵-۲-۱-۱ پتانسیلهای جفتی    ۱۰۵
۵-۲-۱-۲ پتانسیلهای چندتایی    ۱۰۹
۵-۲-۲ میدانهای خارجی نیرو    ۱۱۱
۵-۳ بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته    ۱۱۱
۵-۴ ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی    ۱۱۳
۵-۴-۱ مدل انرژی- معادل    ۱۱۴
۵-۴-۱-۱ خصوصیات  محوری نانولوله های کربنی تک دیواره    ۱۱۵
۵-۴-۱-۲ خصوصیات  محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره    ۱۲۴
۵-۴-۲ مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS    ۱۳۱
۵-۴-۲-۱ تکنیک عددی بر اساس المان محدود       ۱۳۱
۵-۴-۲-۲ ارائه ۳ مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS    ۱۴۱
۵-۴-۳ مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB    ۱۵۵
۵-۴-۳-۱ مقدمه    ۱۵۵
۵-۴-۳-۲ ماتریس الاستیسیته    ۱۵۷
۵-۴-۳-۳ آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی    ۱۵۸
۵-۴-۳-۴ تعیین و نگاشت المان     ۱۵۸
۵-۴-۳-۵ ماتریس کرنش-جابجائی    ۱۶۱
۵-۴-۳-۶ ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای    ۱۶۲
۵-۴-۳-۷ ماتریس سختی برای یک حلقه کربن    ۱۶۳
۵-۴-۳-۸ ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه    ۱۶۷
۵-۴-۳-۹ مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه    ۱۶۸
فصل ششم
نتایج    ۱۷۱
۶-۱ نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل    ۱۷۲
۶-۱-۱ خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره    ۱۷۳
۶-۱-۲ خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره    ۱۷۶
۶-۲ نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS    ۱۸۱
۶-۲-۱ 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 ]۵۴MATLAB [    ۱۸۲
۶-۲-۲ اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره    ۱۹۲
۶-۳ نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB    ۱۹۶
فصل هفتم
نتیجه گیری و پیشنهادات     ۲۰۳
۷-۱ نتیجه گیری    ۲۰۴
۷-۲ پیشنهادات    ۲۰۶
فهرست مراجع     ۲۰۷

مراجع

 ۱-   ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

۲-     S. Iijima, Nature 354 (1991) 56–۵۸

۳-     Sumio Iijima, “Carbon nanotubes: past, present, and future”, Physica B, 2002 , 323 1–۵

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

۵-     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

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

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

۸-     Ji Zang, Andrejs Trei bergs, Y. Han and Feng Liu, Geometric Constant Defining Shape Transition of a asingle Carbon Nanotube, Physical Review Letters, Vol.92, No. 10,2004.

۹-     D.Y.Sun, D.J.Shu, M.Ji Feng Liu, M. wang and X.G.Gong, Pressure-induced Hard to soft Transition of a single Carbon Nanotube, Physical Review  B 70, 165417, 2004.

۱۰-  Q. Wang and V.K. Varadan, Stability Analysis of Carbon Nanotubes Via Continuum Models, Smart Materials and Structures, 281-286, 2005.

۱۱-  M. Dao, L. Lu, R.J. Asaro, J.T.M. De Hosson, E. Ma, Toward a quantitative understanding of mechanical behavior of nanocrystalline metals, Acta Mater 2007; In press

۱۲-  Thomas S.Gate and Jeffrey A.Hinkley, Computational Materials:Modeling and Simulation of Nanostructured Materials and Systems, NASA/TM-2003-212163, 2003.

۱۳-  W. M. Lai, D. Rubin, E.Kremple, Introduction to continuum mechanics 3^rd ed. Pergamon Press 1985

۱۴-  P.K. Valavala and G.M. Odegard, MODELING TECHNIQUES FOR DETERMINATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF POLYMER NANOCOMPOSITES, Rev.Adv.Mater.Sci. 9 (2005) 34-44

۱۵-  Yakobson BI, Brabec CJ, Bernholc J. Nanomechanics of carbon, tubes: instabilities beyond linear range. Phys Rev Lett 1996; 76(14):2511–۴٫

۱۶-  Gregory M. Odegarda, Thomas S. Gatesb, Lee M. Nicholsonc, Kristopher E. Wised, Equivalent-continuum modeling of nano-structured materials, Composites Science and Technology 62 (2002) 1869–۱۸۸۰

۱۷-  Chunyu Li, Tsu-Wei Chou . International Journal of Solids and Structures 40 (2003) 2487–۲۴۹۹

۱۸-  K.I. Tserpes, P. Papanikos . Composites: Part B 36 (2005) 468–۴۷۷

۱۹-  V.M. Harik, Computational Materials Science: Mechanics of carbon nanotubes: applicability of the continuum-beam models (2002) 328–۳۴۲

۲۰-  Rappe, A.K., Casewit, C.J., Colwell, K.S., 1992. A full periodic-table force-field for molecular mechanics and molecular dynamics, simulations. Journal of American Chemical Society 114, 10024–۱۰۰۳۵

۲۱-  Brenner, D.W., 1990. Empirical potential for hydrocarbons for use in simulating the chemical vapor deposition of diamond films. Physical Review B 42, 9458.

۲۲-  Cornell, W.D., Cieplak, P., Bayly, C.I., 1995. A second generation force-field for the simulation of proteins, nucleic-acids, and organic molecules. Journal of American Chemical Society 117, 5179–۵۱۹۷٫

۲۳-  Tersoff, J., 1992. Energies of fullerenes. Physics Review B 46, 15546–۱۵۵۴۹

۲۴-  Zhang, P., Huang, Y.,Gao, H., Hwang, K.C. “Fracture nucleation in single-wall carbon nanotubes under tension: continuum analysis incorporating interatomic potentials”, J.Appl.Mech ,2002a,Trans.ASME 69,454–۴۵۸٫

۲۵-  Zhang, P., Huang, Y., Geubelle, P.H., Klein, P., Hwang, K.C., “The elastic modulus of single-wall carbon nanotubes: continuum analysis incorporating interatomic potentials” Int.J.Solids Struct ,2002b,39,3893–۳۹۰۶٫

۲۶-  G.I. Giannopoulos, P.A. Kakavas, N.K.Anifantis , “Evaluation of the effective mechanical properties of single walled carbon nanotubes using a spring based finite element approach”, Computational Materials Science,2007

۲۷-  Marco Rossi, Michele Meo, Composites Science and Technology: On the estimation of mechanical properties of single-walled carbon nanotubes by using a molecular-mechanics based FE approach , ARTICLE IN PRESS(2008)

۲۸-  T.Changa, H. Gao, “Size-dependent elastic properties of a single-walled carbon nanotube via a molecular mechanics model”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 51 ,2003,1059 – ۱۰۷۴

۲۹-  J.R. Xiao, B.A. Gama, J.W. Gillespie Jr., “An analytical molecular structural mechanics model for the mechanical properties of carbon nanotubes”, International Journal of Solids and Structures 42, 2005, 3075–۳۰۹۲٫

۳۰-  Yongdong Wu,b, Xiaochun Zhang, A.Y.T. Leung,_, Weifang Zhong, Thin-Walled Structures, An energy-equivalent model on studying the mechanical properties of single-walled carbon nanotubes, (2006) 667–۶۷۶

۳۱-  J.R. Xiao , S.L. Lopatnikov , B.A. Gama, J.W. Gillespie Jr. “Nanomechanics on the deformation of single- and multi-walled carbon nanotubes under radial pressure”, Materials Science and Engineering A 416 ,2006, 192–۲٫

۳۲-  Chunyu Li, Tsu-Wei Chou, Composites Science and Technology: Elastic moduli of multi-walled carbon nanotubes and the effect of van der Waals forces, (2003) 1517–۱۵۲۴

۳۳-  A.L. Kalamkarov,*, A.V. Georgiades, S.K. Rokkam, V.P. Veedu, M.N. Ghasemi-Nejhad: (2006) 6832–۶۸۵۴

۳۴-  K.I. Tserpes , P. Papanikos, G. Labeas, Sp.G. Pantelakis: Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Multi-scale modeling of tensile behavior of carbon nanotube-reinforced composites: (2008) 51–۶۰

۳۵-  Machida, K., 1999. Principles of Molecular Mechanics. John Wiley and Sons, Chichester, NY.

۳۶-  Haile, J.M, 1992. Molecular Dynamics Simulation: Elementary Methods. John Wiley and Sons, New York.

۳۷-  Walther, J.H., Jaffe, R., Halicioglu, T., Koumoutsakos, P., 2001. Carbon nanotubes in water: structural characteristics and energetics Journal of Physical Chemistry B 105 (41), 9980–۹۹۸۷٫

۳۸-  Allinger, N.L., Yuh, Y.H., Lii, J.H., 1989. Molecular mechanics: the MM3 force field for hydrocarbons. Journal of the American Chemical Society 111, 8551–۸۵۶۶٫

۳۹-  Jorgensen, W.L., Severance, D.L., 1990. Aromatic aromatic interactions-free energy profiles for the benzene dimmer in water, chloroform, and liquid benzene. Journal of American Chemical Society 112, 4768–۴۷۷۴٫

۴۰-  T. Belytschko, S. Xiao, G. Schatz, R. Ruoff, Atomistic simulations of nanotube fracture, Physical Review B 65 (25) (2002) 235430

۴۱-  X. Sun, W. Zhao, Prediction of stiffness and strength of single-walled carbon nanotubes by molecular-mechanics based finite element approach, Materials Science and Engineering 390 (2005) 366–۳۷۱

۴۲-  Riks E. Incremental approach to the solution of snapping and buckling problems. Int J Solids Struct 1979;15(7):529–۵۱

۴۳-  Yang YB, McGuire M. A work control method for geometrically analysis. In: Middleton J, Pande GN, editors. Proc. nonlinear 1985 Int. Conf. Num. Meth. Engng.. Wales (UK): University College Swansea; 1985. p. 913–۲۱٫

۴۴-  Yang YB, Shieh MS. Solution method for nonlinear problems with multiple critical-points. AIAA J 1990;28:2110–۶

۴۵-  B Jalalahmadi and R Naghdabadi, Journal of Physics: Finite Element Modeling Of single Walled-carbon nano tubes with introducing a new wall thickness, (2007) 497

۴۶-  G.M. Odegarda, T.S. Gatesb, K.E. Wisea, C. Parka, E.J. Siochic, Constitutive modeling of nanotube–reinforced polymer composites, Composites Science and Technology 63 (2003) 1671–۱۶۸۷٫

۴۷-  .Kin-Tak Laua , Mircea Chipara, Hang-Yin Ling, David Hui, Composites: Part B, On the effective elastic moduli of carbon nanotubes for nanocomposite structures, (2004) 95–۱۰۱

۴۸-  Antonio Pantano, David M.Parks, Mary C.Boyce, Mechanics of deformation of single- and multi-wall carbon nanotubes, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 52 (2004) 789 – ۸۲۱٫

۴۹-  A.R. Setoodeh, S. Safarian, Finite element modeling of single-walled carbon nanotubes, 2^nd International Congress on Nanoscience & Nanotechnology , 28-30 October 2008 University of Tabriz, Iram

۵۰-  A.R. Setoodeh, S. Safarian, STUDYING THE EFFECTS OF WALL-THICKNESS AND DIAMETER ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF SWCNTS WITH CONTINUUM MODEL, 1th Conference on Application of Nanotechnology in Sciences, Engineering and Medicine February14 & 15, 2008, Islamic Azad University of  Mashhad – (NTC2008)

۵۱-  A.R. Setoodeh, S. Safarian, Studying the Effects of Wall-Thickness and Diameter on the Mechanical Properties of SWNTs, International Conference on MEMS and Nanotechnology (ICMN2008), 13-15 MAY 2008 , International Islamic University MALAYSIA

۵۲-  A.R. Setoodeh, S. Safarian ,STUDYING MECHANICAL PROPERTIES OF SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBE UNDER RADIAL PRESSURE WITH AN ENERGY-EQUIVALENT MODEL 1th Conference on Application of Nanotechnology in Sciences, Engineering and Medicine February14 & 15, 2008, Islamic Azad University of  Mashhad – (NTC2008)

  فصل اول مقدمه نانو

۱-۱ مقدمه

۱-۱-۱ فناوری نانو  

    نانو فناوری عبارت ازآفرینش مواد، قطعات و سیستم های مفید با کنترل آنها در مقیاس طولی نانو متر و بهره برداری از خصوصیات و پدیده های جدید حاصله در آن مقیاس می باشد. به عبارت دیگر فناوری نانو، ایجاد چیدمانی دلخواه از اتم ها و مولکول ها و تولید مواد جدید با خواص مطلوب است. فناوری نانو، نقطه تلاقی اصول مهندسی، فیزیک، زیست شناسی، پزشکی و شیمی است و به عنوان ابزاری برای کاربرد این علوم و غنی سازی آنها در جهت ساخت عناصر کاملاً جدید عمل می کند.

 از  لحاظ ابعادی، یک نانو متر اندازه ای برابر ^۹-۱۰ متر است (شکل ۱-۱) . این اندازه تقریباً چهار برابر قطر یک اتم منفرد می باشد.

  خصوصیات موجی (مکانیک کوانتومی) الکترونها در درون مواد و اندرکنشهای اتمی، بوسیله ی تغییرات مواد در مقیاس نانو متری، تحت تأثیر قرار می گیرند. با ایجاد ساختارهای نانو متری، کنترل خصوصیات اساسی مواد مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی و حتی رنگ آنها، بدون تغییر ترکیب شیمیایی ممکن خواهد بود. به کارگیری این پتانسیل، باعث ایجاد محصولات و فناوری های جدید با کارایی بسیار بالا خواهد شد که قبلاً ممکن نبوده است. سازمان دهی سیستماتیک ماده در مقیاس طولی نانو متر، مشخصه کلیدی سیستم های زیستی است.

    ساختارهای نانو، نظیر ذرات نانو و نانو لوله ها، دارای نسبت سطح به حجم خیلی بالایی اند، بنابراین اجزای ایده آلی برای استفاده در کامپوزیت ها، واکنش های شیمیایی و ذخیره از انرژی هستند.  از  آنجا که نانوساختارها خیلی کوچک اند، می توانند در ساخت سیستم هایی بکار برده شوند که چگالی المان خیلی بیشتری نسبت به انواع مقیاس های دیگر دارند. بنابراین قطعات الکترونیکی کوچک تر، ادوات سریع تر، عملکردهای پیچیده ترو مصرف بسیار کمتر انرژی را می توان با کنترل واکنش و پیچیدگی نانو ساختار، بطور همزمان بدست آورد.

    در حال حاضر، نانو فناوری یک تکنولوژی توانمند است، اما این پتانسیل را دارد که تبدیل به یک تکنولوژی جایگزین شود. فناوری نانو نه یک فناوری جدید، بلکه نگرشی تازه به کلیه ی فناوری های موجود است و لذا روش های مبتنی بر آن، در اصل همان فناوری های قبلی هستند که در مقیاس نانو انجام می شوند.

    مراکز علمی و دانشگاهی با آگاهی  از  توانایی های وقابلیت های نانو فناوری به تحقیق و پژوهش در این زمینه می پردارند. تفاوت هایی که در سال های اخیر در زمینه ی نانو بوجود آمده است، حاکی  از  افزایش رغبت به این حوزه می باشد. در گذشته، تحقیقات بر اساس علایق و تخصص های محقق پیش می رفت، اما اکنون اغلب کشورها دارای برنامه های مدون و راهبردی مشخص در این زمینه هستند و مراکز علمی و تحقیقاتی خود را مامور پیش برد این برنامه ها کرده اند.

 ۱-۲ معرفی نانولوله‌های کربنی

۱-۲-۱ ساختار نانو لوله‌های کربنی

    نانو لوله‌های کربنی [۱](CNTs) یک نوع آلوتروپ کربن هستند که  اخیراً کشف شده‌اند. آنها به شکل مولکول استوانه‌ای هستند و خواص شگفت انگیزی دارند که آنها را برای بکارگیری در بسیاری  از  کاربردهای نانوفناوری، الکترونیک، اپتیک و حوزه‌های دیگر علم مواد مناسب می سازد. آنها دارای استحکام خارق العاده‌ای بوده، خواص الکتریکی منحصر به فردی دارند، و هادی کارآمدی برای حرارت هستند.

یک نانولوله عضوی  از  خانواده فلورن هاست، که باکی بال‌ها را نیز شامل می‌شود. فلورن‌ها خوشه‌ی بزرگی  از  اتم‌های کربن در قالب یک قفس بسته می‌باشند و  از  ویژگی های خاصی برخوردارند که پیش  از  این در هیچ ترکیب دیگری یافت نشده بودند. بنابراین، فلورن‌ها به طور کلی خانواده‌ای جالب توجه  از  ترکیب‌ها را تشکیل می‌دهند که به طور قطع در کاربردها و فناوری‌های آینده مورد استفاده وسیع قرار خواهند گرفت.

    ساختارهای عجیب و غریب زیادی از فلورن‌ها[۲]، شامل: کروی منظم، مخروطی، لوله‌ای و همچنین اشکال پیچیده و عجیب دیگر وجود دارد. در اینجا ما به توضیح مهمترین و شناخته شده‌ترین آنها می‌پرد از یم. ساختار باکی بال[۳] در شکل کره و نانولوله به شکل استوانه است که معمولاً لااقل یک سر آن با درپوش نیم کروی  از  ساختار باکی بال پوشیده شده است (شکل ۱-۲) .