مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل تنش‌های پسماند حرارتی پلیمر تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی با استفاده از یک مدل ‌نیمه‌پیوسته متقارن چرخه‌ای

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش رفتار مکانیکی- حرارتی پلیمرهای تقویت‌شده با نانولوله کربنی ساده با استفاده از یک روش تحلیلی مبتنی بر مدل‌سازی مکانیک ‌نیمه‌پیوسته مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور یک المان حجمی نماینده از پلیمر تقویت‌شده با نانولوله استوانه‌ای شکل با تقارن چرخه‌ای استفاده می‌شود که در آن تقویت‌کننده نانولوله در مقیاس نانو و پلیمر اطرافش به‌صورت محیط پیوسته مدل شده‌اند. واردنمودن شرایط متقارن چرخه‌ای در فرآیند حل مساله سبب هماهنگی هرچه بیشتر نتایج تحلیلی با شرایط واقعی می‌شود. فاز میانی بین نانولوله و پلیمر نیز با تنش‌های بین سطحی و خواص مکانیکی برگرفته از اثر نیروهای واندروالسی موثر بین اتم‌های نانولوله و پلیمر مدل‌سازی می‌شود. ‌به‌طور کلی تنش‌های پسماند حرارتی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری به‌دلیل اختلاف قابل توجه بین ضریب انبساط پلیمر و نانولوله به وجود می‌آید. در مقاله حاضر ابتدا مدل‌سازی ‌نیمه‌پیوسته توضیح داده شده است و سپس نقش برخی پارامترهای موثر بر تنش‌های پسماند حرارتی نظیر نسبت حجمی، نسبت منظری و دما مورد مطالعه قرار گرفته است. اگرچه بر اساس برخی از تحقیقات موجود درمقیاس ماکرو به نظر می‌رسد که افزودن نانولوله‌ها به پلیمر سبب کاهش ضریب انبساط نانوکامپوزیت و در نتیجه کاهش تنش‌های پسماند حرارتی آن خواهد بود، لکن نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که با انتخاب نامناسب برخی پارامترها نظیر نسبت حجمی و منظری نانولوله و نیز تغییر دما، تنش‌های پسماند حرارتی بین نانولوله و پلیمر زیاد می‌شود که این امر ‌می‌تواند باعث تضعیف استحکام نهایی ماده پلیمری شود.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Thermal Residual Stress Analysis of CNTs Reinforced Polymer Using a Cyclic Symmetry Semi-Continuum Model

نویسندگان English

A. Abbasi
M. Mondali
Aerospace Engineering Department, Engineering Faculty, Science & Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

In this research, the thermo-mechanical behavior of SWCNTs reinforced polymer has been characterized using an analytical method based on semi-continuum modeling. For this reason, a representative volume element of CNT reinforced polymer with cyclic symmetry boundary condition is used while the nanotube reinforcement is modeled in nanoscale and its surrounding polymer is considered as a continuum environment. Applying the cyclic symmetry boundary conditions in the problem-solving procedure causes satisfactory agreement between the results of the analytical method and the actual conditions. The interphase between the nanotube and polymer is also modeled using the cohesive stresses and the mechanical properties extracted from the Vander-Waals forces between the atoms of nanotube and polymer. In general, the thermal residual stresses in polymer/CNT nanocomposites can occur due to the significant differences between the thermal expansion coefficient of polymer and CNT. In the present paper, the semi-continuum modeling has been firstly explained and then the role of some effective parameters such as volume fraction, aspect ratio, and temperature change on the residual thermal stresses has been studied. Although, based on some available researches in macro scale, it seems that adding the CNTs to polymer leads to decreasing the thermal expansion of nanocomposite and consequently decreasing its thermal residual stresses. However, the results of this paper show that by inappropriate selection of some parameters such as the volume fraction and aspect ratio of nanotubes and also the temperature change, the residual thermal stresses increase between the polymer and nanotube which it can weaken the material strength.

کلیدواژه‌ها English

Carbon-Nanotube
Thermal Residual Stress
Semi-Continuum Model
Cyclic Symmetry Boundary Condition
Ma HL, Lau KT, Hui D, Shi SQ, Poon CK. Theoretical analysis on the pullout behavior of carbon nanotube at cryogenic environment with the consideration of thermal residual stress. Composites Part B: Engineering. 2017;128:67-75. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesb.2017.07.009]
Siochi EJ. High volume fraction carbon nanotube composites for aerospace applications. TechConnect Briefs. 2016;1:49-52. [Link]
Jiang H, Liu B, Huang Y, Hwang KC. Thermal expansion of single wall carbon nanotubes. Journal of Engineering Materials and Technology. 2004;126(3):265-270. [Link] [DOI:10.1115/1.1752925]
Alamusi, Hu N, Jia B, Arai M, Yan C, Li J, et al. Prediction of thermal expansion properties of carbon nanotubes using molecular dynamics simulations. Computational Materials Science. 2012;54:249-254. [Link] [DOI:10.1016/j.commatsci.2011.10.015]
Odegard GM, Gates TS, Nicholson LM, Wise KE. Equivalent continuum modeling of nano-structured materials. Composites Science and Technology. 2002;62(14):1869-1880. [Link] [DOI:10.1016/S0266-3538(02)00113-6]
Shi DL, Feng XQ, Jiang H, Huang YY, Hwang KC. Multiscale analysis of fracture of carbon nanotubes embedded in composites. International Journal of Fracture. 2005;134:369-386. [Link] [DOI:10.1007/s10704-005-3073-1]
Hassanzadeh-Aghdam MK, Mahmoodi MJ, Barkhordari H. Micromechanical modeling of effective elastic properties of hybrid nanocomposites reinforced by fuzzy fiber containing carbon nanotubes. Modares Mechanical Engineering. 2017;17(9):261-272. [Persian] [Link]
Alamusi, Hu N, Qiu J, Li Y, Chang C, Atobe S, et al. Multi-scale numerical simulations of thermal expansion properties of CNT-reinforced nanocomposites. Nanoscale Research Letters. 2013;8:15. [Link] [DOI:10.1186/1556-276X-8-15]
Tserpes KI, Papanikos P, Labeas G, Pantelakis SG. Multi-scale modeling of tensile behavior of carbon nanotube-reinforced composites. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2008;49(1):51-60. [Link] [DOI:10.1016/j.tafmec.2007.10.004]
Li C, Chou TW. Multiscale modeling of compressive behavior of carbon nanotube/polymer composites. Composites Science and Technology. 2006;66(14):2409-2414. [Link] [DOI:10.1016/j.compscitech.2006.01.013]
LI S, Wang Y, Rümmeli MH, Vlček J, Pištora J, lesňák M. Analysis and calculation of residual stress in carbon nanotube reinforced magnesium matrix composites. GeoScience Engineering. 2009;LV(4):73-77. [Link]
Shokrieh MM, Daneshvar A, Akbari S. Reduction of thermal residual stresses of laminated polymer composites by addition of carbon nanotubes. Materials & Design. 2014;53:209-216. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2013.07.007]
Kalamkarov AL, Georgiades AV, Rokkam SK, Veedu VP, Ghasemi-Nejhad MN. Analytical and numerical techniques to predict carbon nanotubes properties. International Journal of Solids and Structures. 2006;43(22-23):6832-6854. [Link] [DOI:10.1016/j.ijsolstr.2006.02.009]
Jiang LY, Huang Y, Jiang H, Ravichandran G, Gao H, Hwang KC, et al. A cohesive law for carbon nanotube/polymer interfaces based on the van der Waals force. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2006;54(11):2436-2452. [Link] [DOI:10.1016/j.jmps.2006.04.009]
Zakeri M, Shayanmehr M, Shokrieh MM. Interface modeling of nanotube reinforced nanocomposites by using multi-scale modeling method. Modares Mechanical Engineering. 2012;12(5):1-11. [Persian] [Link]
Boresi AP, Chong K, Lee JD. Elasticity in engineering mechanics. 3rd Edition. Hoboken: John Wiley &Sons; 2011. [Link] [DOI:10.1002/9780470950005]
Timoshenko SP, Goodier JN. Theory of elasticity. 3rd Edition. New York: McGraw-Hill; 1970. [Link] [DOI:10.1115/1.3408648]
Zakeri M, Shayanmehr M. On the mechanical properties of chiral carbon nanotubes. Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials. 2013;46(1):1-9. [Link]
Zaeri MM, Ziaei-Rad S, Vahedi A, Karimzadeh F. Mechanical modeling of carbon nanomaterials from nanotubes to buckypaper. Carbon. 2010;48(13):3916-3930. [Link] [DOI:10.1016/j.carbon.2010.06.059]
Ghasemi AR, Mohammadi-Fesharaki M. Distribution of residual stresses in polymer reinforced carbon nanotubes and laminated carbon fibers. Mechanics of Advanced Composite Structures. 2017;4(1):9-18. [Link]