پژوهشگر دانشگاه تهران با استفاده از مدلسازی چندمقیاسی موفق به بررسی میزان تاثیر شکل غیرمسقتیم نانولوله کربنی بر خواص نانوکامپوزیت در مقیاس نهایی مادی شدند.
بررسی تاثیر غیرمستقیم نانولوله کربنی بر روی خواص نانوکامپوزیت
پژوهشگر دانشگاه تهران با استفاده از مدلسازی چندمقیاسی موفق به بررسی میزان تاثیر شکل غیرمسقتیم نانولوله کربنی بر خواص نانوکامپوزیت در مقیاس نهایی مادی شدند. این محقق در مدلسازی خود شکل غیرمستقیم نانولوله کربن به صورت یک پارامتر کاملاً تصادفی در نظر گرفته و تمامی شکل‌های محتمل به رخداد را در حین فرآیند ساخت قطعه نانوکامپوزیت لحاظ کردند. نتایج این تحقیق می‌تواند برای صنایع مختلف هوافضا، خودرو، حمل و نقل و انرژی که از مزایای کامپوزیت‌های پلیمری استفاده می‌کنند، مفید باشد.
این تحقیقات به سرپرستی دکتر رهام رفیعی، استادیار دانشکده علوم و فنون نوین دانشگاه تهران، در آزمایشگاه تحقیقاتی کامپوزیت دانشکده علوم و فنون نوین دانشگاه تهران صورت گرفته است. وی در توضیح این آزمایشگاه افزود: «در حال حاضر در آزمایشگاه تحقیقاتی کامپوزیت دانشکده علوم و فنون نوین دانشگاه تهرآن که به سرپرستی اینجانب از سال ۱۳۹۰ فعالیت خود را آغاز کرده است، تحقیقات بنیادی و کاربردی مختلفی در حوزه کامپوزیت و نانوکامپوزیت در سطوح کارشناسی ارشد و دکترا به‌وسیله‌ی دانشجویان تحت نظارت اینجانب انجام می‌گیرد.»
در این تحقیق، هدف پیش‌بینی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاوی نانولوله کربن چندجداره بوده است و به صورت مشخص در این مقاله بر روی تأثیر شکل غیرمستقیم نانولوله در بستر رزین تمرکز شده است. رفیعی در تکمیل آن افزود: «هدف بررسی میزان تأثیر شکل غیرمستقیم نانولوله کربن در محیط رزین بر روی خواص مکانیکی بوده است. اغلب تحقیقات صورت گرفته، یا نانولوله را کاملاً مستقیم فرض کرده‌اند و یا شکل غیرمستقیم را به صورت مشخص در قالب یک شکل خاص فرض نموده‌اند. در این تحقیق به صورت مشخص، شکل دلخواه و غیرمشخص نانولوله غیرمستقیم در نظر گرفته شده است.»
در این تحقیقات در مرحله اول، مقیاس موثر که در آن شکل غیرمستقیم نانولوله تأثیرگذار است،شناسایی شده است و سپس با استفاده از روش تحدیدی انرژی، مقدار افت خواص مکانیکی نانولوله کربن به همراه فاز واسط آن به عنوان الیاف مجازی معادل مدل گردیده است. در نهایت تأثیر میزان افت خواص نهایی نانوکامپوزیت حاوی نانولوله کربن بر اساس یک رویکرد تمام تصادفی بررسی شده است.
مقیاس‌های مختلف در مدلسازی چندمقیاسی نانوکامپوزیت حاوی نانولوله کربنی
رفیعی در مورد نتایج این تحقیقات نیز گفت: «مدول الاستیک نانوکامپوزیت حاوی نانولوله کربن بر اساس استفاده از یک روش چندمقیاسی با تأکید بر شکل غیرمستقیم نانولوله کربن پیش‌بینی شده است. به علت ماهیت تصادفی الگوی شکل غیرمسقتیم، از مدلسازی تصادفی استفاده شده است. فرآیند توسعه داده شده با اتکاء بر مشاهدات آزمایشگاهی مورد اعتبارسنجی قرار گرفته است.
در این تحقیق بر خلاف سایر تحقیقات که تنها به مدلسازی سلول واحد حاوی یک نانولوله غیرمستقیم پرداخته‌اند، محیط مادی مشتمل بر تعداد انبوهی نانولوله کربن در بالاترین مقیاس مادی ارزیابی شده است. مشخص گردیده است که شکل غیرمستقیم نانولوله کربن تأثیرگذارترین پارامتر در افت خواص مکانیکی نانوکامپوزیت حاوی نانولوله کربن در مقایسه با سایر پارامترها همانند پدیده تجمع خوشه‌ای و یا توزیع ناهمگون در محیط مادی است. شکل غیرمستقیم نانولوله کربن در مقایسه با حالت ایده‌آل به میزان ۲۵ تا ۵۰ درصد افت خواص نانوکامپوزیت را به دنبال دارد و این افت در کسر حجمی‌های بالاتر افزایش می‌یابد. از طرفی مشخص شده است که میزان تأثیر شکل غیرمسقتیم در رزین‌های با مدول الاستیک بالاتر کمتر است. همچنین نتایج حاکی از این واقعیت است که شکل غیرمستقیم نانولوله کربن به میزان بسیار اندکی ضریب پوآسون محیط مادی را افزایش می‌دهد. در نهایت روند غیرخطی وابستگی مدول نانوکامپوزیت به کسرحجمی نانولوله، موید عدم توفق روابط ساده مایکرومکانیک برای پیش‌بینی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌ها است.»
تمامی صنایعی که از نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمری استفاده می‌کنند، به منظور پیش‌بینی خواص مکانیکی این ماده نوین، نیاز به ابزاری برای تخمین خواص مکانیکی دارند. نتایج این تحقیق می‌تواند برای صنایع مختلف هوافضا، خودرو، حمل و نقل و انرژی که از مزایای کامپوزیت‌های پلیمری استفاده می‌کنند، مفید باشد.
این مقاله مستخرج از طرح پژوهشی در صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران کشور بوده است و یکی از نتایج آن در مجله Composite Structures (جلد۹۷، مارس ۲۰۱۳، صفحات ۳۰۹-۳۰۴) منتشر شده است.
