به‌تازگی، گروهی از متخصصان دانشگاه علم و صنعت ایران، شیوه جدیدی را برای تعیین خواص نانوکامپوزیت‌ها ارایه دادند.
شیوه جدیدی برای پیش‌بینی خواص نانوکامپوزیت‌ها
به‌تازگی، گروهی از متخصصان دانشگاه علم و صنعت ایران، شیوه جدیدی را برای تعیین خواص نانوکامپوزیت‌ها ارایه دادند.
دکتر رهام رفیعی پژوهشگری در حوزه سازه، مواد کامپوزیتی و نانوکامپوزیت‌هاست که در رساله دکتری خود به پیش‌بینی خواص مکانیکی کامپوزیت تقویت شده با نانولوله کربنی پرداخته‌است.
وی در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو هدف از این تحقیق را پیش‌بینی خواص مکانیکی (مدول الاستیک و ضریب پوآسون) کامپوزیت پلیمری تقویت شده با نانولوله کربنی بیان کرد.
دکتر رفیعی، در مورد نتایج این کار پژوهش اذعان داشت: «با توجه به نتایج این پژوهش، استفاده مستقیم از قوانین مایکرومکانیک برای پیش‌بینی خواص نانوکامپوزیت‌های حاوی نانولوله کربنی صحیح نبوده و استفاده از روش چندمقیاسی ضروری است. با توجه به ماهیت حاکم بر نانولوله کربن، مدل‌سازی صحیح باید بر اساس یک روش تصادفی صورت پذیرد و استفاده از روش‌های قطعی، منجر به پاسخ‌های دور از واقعیت می‌گردد. پس از تحلیل، مشخص گردید که می‌توان از مقادیر میانگین طول و کسر حجمی نانولوله کربنی، به جای مقادیر تصادفی آنها استفاده نمود و سایر متغیرها همانند جهت‌های مختلف راستای نانولوله کربن، شکل غیرمستقیم، میزان تجمع توده‌ای و انتشار غیریکنواخت نانولوله کربن در محیط مادی می‌بایست لزوماً به صورت تصادفی در مدل‌سازی لحاظ گردند. گفتنی است که نتایج شبیه‌سازی تطابق بسیار خوبی با مشاهدات آزمایشگاهی صورت گرفته توسط دیگران را نشان می‌دهد».
دکتری تخصصی مهندسی مکانیک در رابطه با چگونگی انجام این پژوهش اظهار داشت: «در این پژوهش، یک روش چندمقیاسی تمام احتمالی برای پیش‌بینی خواص کامپوزیت تقویت شده با نانولوله کربن ارایه شده‌است. شیوه چندمقیاسی توسعه داده شده، تمامی مقیاس‌های نانو، مایکرو، مسو و مکرو را در برمی‌گیرد و بر اساس یک رهیافت پایین به بالا از مقیاس نانو آغاز گردیده، پس از گذار از مقیاس‌های میانی مایکرو و مسو به مقیاس نهایی مکرو ختم می‌گردد. در مقیاس نانو، حل بسته‌ای برای پیش‌بینی مدول الاستیک نانولوله کربنی بر اساس مدل‌سازی محیط پیوسته نانومقیاس با استفاده از المان تیر توسعه داده شده‌است. ابتدا، حل بسته‌ای برای شبیه‌سازی ورق گرافن انجام شده‌است و این حل بسته به نانولوله کربنی بسط داده شده‌است. حل بسته توسعه داده شده برای نانولوله کربن بر اساس المان تیر تطابق بسیار خوبی با مشاهدات آزمایشگاهی نشان می‌دهد و اختلاف بسیار کمی با حل تحلیلی مبتنی بر المان فنر/خرپا دارد. بنابراین در این پژوهش استفاده از المان تیر به عنوان یک ساده‌سازی بسیار مناسب برای شبیه‌سازی نانولوله کربن ملاک عمل قرار گرفته‌است.
در مقیاس مایکرو، از یک مدل‌سازی المان محدود چندمقیاسی که نانولوله را به صورت ساختار مشبک مولکولی خود در مقیاس نانو و رزین اطراف را به صورت یک محیط پیوسته در مقیاس مایکرو شبیه‌سازی می‌نماید، استفاده شده‌است. فاز واسط در این پژوهش به صورت کامل از نوع برهم‌کنش واندروالس در نظر گرفته شده‌است. با توجه به ماهیت غیرخطی برهم‌کنش واندروالس، تحلیل المان محدود به صورت غیر خطی و تطابقی صورت پذیرفته و در هر مرحله از تحلیل، وضعیت پیوندهای واندروالس بر اساس آخرین وضعیت نانولوله و رزین اطراف اصلاح گردیده‌است. با توجه به این امر که قوانین مایکرومکانیک مورد استفاده برای کامپوزیت‌ها در مقیاس نانو معتبر نیستند، بر خلاف پژوهش‌های پیشین، به جای استفاده مستقیم از روابط مایکرومکانیک، ایده تک رشته معادل که جایگزین نانولوله کربن و فاز واسط آن است؛ استفاده شده‌است. خواص مکانیکی تک‌رشته معادل بر اساس مدل‌سازی ذکر شده محاسبه گردیده که حاکی از رفتار ایزوتروپ جانبی برای تک‌رشته معادل است. تاثیر طول نانولوله کربنی بر پدیده انتقال بار از رزین به نانولوله کربن نیز بررسی گردیده‌است.
در مقیاس مسو، مدل مایکرومکانیک مناسب به منظور لحاظ کردن جهت‌های مختلف نانولوله و تجمع نانولوله‌ها در توده‌های خوشه‌ای شناسایی و معرفی شده‌است. در این مقیاس، قرارگیری نانولوله کربن به صورت غیرمستقیم و تاثیر آن در افت خواص مکانیکی بلوک‌های سازنده محیط مادی بررسی شده و یک روش تحدیدی پدیده‌شناختی به منظور لحاظ کردن قرارگیری نانولوله به صورت غیرمستقیم توسعه داده شده‌است. خواص نهایی محیط مادی در مقیاس مکرو، بر اساس میانگین‌گیری از خواص بلوک‌های سازنده محاسبه گردیده‌است. روش ذکر شده جایگزین بسیار مناسبی برای روش اجزاء محدود بوده و زمان تحلیل را به صورت فزاینده‌ای کاهش می‌دهد.
با توجه به عدم قطعیت‌های موجود در مسئله، در این تحقیق شیوه مدل‌سازی چندمقیاسی بر خلاف سایر پژوهش‌ها به صورت تمام تصادفی صورت گرفته‌است. پارامترهایی همانند طول نانولوله کربن، جهت‌های مختلف راستای نانولوله کربن، شکل غیرمستقیم، میزان تجمع توده‌ای و انتشار غیریکنواخت نانولوله کربن در محیط مادی به صورت اتفاقی شبیه‌سازی شده‌اند».
جزئیات این طرح که با راهنمایی دکتر محمود مهرداد شکریه انجام شده، در پنج مقاله مختلف در مجلات Mechanics of Composite Materials, In Press در سال ۲۰۱۰ ، Composite Structures (جلد ۹۲، صفحات ۶۵۲-۶۴۷، سال ۲۰۱۰)، Material and Design (جلد ۳۱، صفحات ۷۹۵-۷۹۰، سال ۲۰۱۰)، Mechanics Research Communications (جلد ۳۷، صفحات ۲۴۰-۲۳۵، سال ۲۰۱۰) و Composite Structures در سال ۲۰۱۰ منتشر شده‌است.
