محققان دانشگاه صنعتی اصفهان با همکاری دانشگاه آلتو فنلاند، مدلی میکرومکانیکی ارائه داده‌اند که قادر به پیش‌بینی خواص مکانیکی انواع نانوکامپوزیتها با زمینه پلیمری و فلزی است. این مدل با قابلیت در نظر گرفتن نواقص موجود در نانوکامپوزیتها، قادر به ارائه یک روش مناسب و ایده‌آل برای تولید نانوکامپوزیتی با بهترین خواص مکانیکی است. کاربرد این طرح در صنایعی چون صنایع هوا فضا، خودروسازی و مهندسی پزشکی خواهد بود.
اصفهان: ارائه مدلی برای تخمین خواص نانوکامپوزیتها
محققان دانشگاه صنعتی اصفهان با همکاری دانشگاه آلتو فنلاند، مدلی میکرومکانیکی ارائه داده‌اند که قادر به پیش‌بینی خواص مکانیکی انواع نانوکامپوزیتها با زمینه پلیمری و فلزی است. این مدل با قابلیت در نظر گرفتن نواقص موجود در نانوکامپوزیتها، قادر به ارائه یک روش مناسب و ایده‌آل برای تولید نانوکامپوزیتی با بهترین خواص مکانیکی است. کاربرد این طرح در صنایعی چون صنایع هوا فضا، خودروسازی و مهندسی پزشکی خواهد بود.
روش‌های تئوری متداولی که برای محاسبه‌ی خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها به کار می‌رود، با نتایج آزمایشگاهی منطبق نیستند. دلیل اصلی این عدم تطابق، وجود نواقصی همچون انباشتگی و تراکم نانومواد تقویت‌کننده و جدایش آن‌ها از زمینه کامپوزیتی است. این مدل منطبق بر واقعیت مسئله، توانایی در نظر گرفتن پدیده جدایش مواد تقویت‌کننده از ماده زمینه را، در حین بارگذاری مکانیکی، دارد. بنابراین، با محک زدن روش‌های مختلف تولید نانوکامپوزیتها و بهینه‌سازی روش تولید آن‌ها، دستیابی به مطلوب‌ترین خواص مکانیکی را امکان‌پذیر می‌کند. استفاده از نتایج این طرح، منجر به کاهش هزینه و افزایش سرعت در ساخت نانوکامپوزیتها خواهد شد.
دکتر جیران نفر دستگردی، فارغ التحصیل مهندسی مکانیک از دانشگاه صنعتی اصفهان، لزوم انجام این تحقیق را اینگونه عنوان کرد: «نانومواد تقویت‌کننده در حین بارگذاری از ماده زمینه خود جدا شده و سبب ایجاد حفره‌هایی در ماده زمینه می‌شوند. این حفره‌ها منجر به شروع ترک، شکست زودتر نانوکامپوزیتها و کاهش مدول یانگ معادل آن‌ها می‌گردد. در اکثر مدل‌های مورد استفاده، به صورت ایده‌آل فرض می‌شود که اتصال بسیار خوبی میان ماده تقویت کننده و ماده زمینه وجود دارد و در حین بارگذاری جدایشی رخ نمی‌دهد. در نظر گرفتن چنین فرضی، منجر به پیش‌بینی نادرست خواص مکانیکی معادل نانوکامپوزیتها شده و میان نتایج تجربی و تئوری اختلافات قابل توجهی ایجاد می‌نماید. به منظور پیش‌بینی درست خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها لازم است که، نقص فوق در محاسبه خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها در نظر گرفته شود.»
روش‌های تئوری متداولی که برای محاسبه‌ی خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها به کار می‌رود، با نتایج آزمایشگاهی منطبق نیستند. دلیل اصلی این عدم تطابق، وجود نواقصی همچون انباشتگی و تراکم نانومواد تقویت‌کننده و جدایش آن‌ها از زمینه کامپوزیتی است. این مدل منطبق بر واقعیت مسئله، توانایی در نظر گرفتن پدیده جدایش مواد تقویت‌کننده از ماده زمینه را، در حین بارگذاری مکانیکی، دارد. بنابراین، با محک زدن روش‌های مختلف تولید نانوکامپوزیتها و بهینه‌سازی روش تولید آن‌ها، دستیابی به مطلوب‌ترین خواص مکانیکی را امکان‌پذیر می‌کند. استفاده از نتایج این طرح، منجر به کاهش هزینه و افزایش سرعت در ساخت نانوکامپوزیتها خواهد شد.
دکتر جیران نفر دستگردی، فارغ التحصیل مهندسی مکانیک از دانشگاه صنعتی اصفهان، لزوم انجام این تحقیق را اینگونه عنوان کرد: «نانومواد تقویت‌کننده در حین بارگذاری از ماده زمینه خود جدا شده و سبب ایجاد حفره‌هایی در ماده زمینه می‌شوند. این حفره‌ها منجر به شروع ترک، شکست زودتر نانوکامپوزیتها و کاهش مدول یانگ معادل آن‌ها می‌گردد. در اکثر مدل‌های مورد استفاده، به صورت ایده‌آل فرض می‌شود که اتصال بسیار خوبی میان ماده تقویت کننده و ماده زمینه وجود دارد و در حین بارگذاری جدایشی رخ نمی‌دهد. در نظر گرفتن چنین فرضی، منجر به پیش‌بینی نادرست خواص مکانیکی معادل نانوکامپوزیتها شده و میان نتایج تجربی و تئوری اختلافات قابل توجهی ایجاد می‌نماید. به منظور پیش‌بینی درست خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها لازم است که، نقص فوق در محاسبه خواص مکانیکی نانوکامپوزیتها در نظر گرفته شود.»
نمونه‌ای از ایجاد جدایش نانومواد تقویت‌کننده از زمینه
این محققان با مشاهده اختلاف چشم‌گیر بین داده‌های آزمایشگاهی و تئوری‌های موجود، مدل میکرومکانیکی جدیدی را پیشنهاد داده‌اند که می‌تواند یک تخمین اولیه از اندازه ذرات تقویت‌کننده‌ها و میزان انرژی چسبندگی سطحی آن‌ها با ماده زمینه را در اختیار قرار دهد. ارزیابی مدل ارائه شده حاکی از اختلاف کم بین داده‌های حاصل از تئوری پیشنهاد شده و داده‌های آزمایشگاهی موجود بوده است.
به گفته نفر دستگردی، به منظور جلوگیری از آسیب جدایش تقویت‌کننده‌ها از ماده زمینه، می‌توان منحنی‌های تنش-کرنش کامپوزیت تولید شده از روش‌های مختلف را با نتایج حاصل از این تئوری مقایسه نموده و به روشی ایده آل برای ساخت نانوکامپوزیتها دست یافت. به عبارتی، مقایسه نتایج حاصله نشان می‌دهد که کدام روش باعث ایجاد انرژی چسبندگی سطحی بیشتری می‌گردد و حد بهینه اندازه ذرات تقویت‌کننده برای جلوگیری از ایجاد جدایش به دست خواهد آمد.
وی در ادامه افزود: « در تکمیل این طرح، ارائه یک مدل میکرومکانیکی جامع و قابل کاربرد برای انواع نانوکامپوزیتها با زمینه پلیمری و فلزی در دست بررسی است. این مدل باید به طور هم‌زمان، توانایی در نظر گرفتن نواقصی چون جدایش، انباشتگی و انحنای تقویت‌کننده‌ها را دارا باشد. امید است، بر مبنای نتایج حاصل از مدل نهایی، بتوان روش مناسب و ایده‌آلی برای تولید نانوکامپوزیت‌هایی با کمترین میزان نواقص را ارائه نمود.»
نتایج این تحقیق، که حاصل همکاری پروفسور محمود سلیمی( عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان)، پروفسور گری مارکویس(دانشگاه آلتو) و دکتر جیران نفر دستگردی است، در مجله Composites science and technology ( جلد ۹۳، شماره ۱، ماه ژانویه، سال ۲۰۱۴، صفحات ۳۸ تا ۴۵) انتشار یافته است.
