مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدلسازی رفتار الکتروترمومکانیکی کامپوزیت پیزو پلیمری تقویت شده با نانو لوله‌های کربنی کوتاه

نویسندگان
1 دانشگاه شهید بهشتی، پردیس فنی مهندسی شهید عباسپور، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی
2 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران
چکیده
یک مدل تحلیلی میکرومکانیکی سه بعدی برپایه سلول واحد جهت استخراج خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی کامپوزیت پیزوپلیمر تقویت شده با نانولوله‌ی کربن طرح-ریزی و تعمیم داده می‌شود. المان حجمی نماینده پیزونانوکامپوزیت شامل سه فاز تقویت کننده‌ی نانولوله کربنی، زمینه‌ی پیزوپلیمری و ناحیه فاز میانی می‌باشد. مدل حاضر نانو لوله کربن را به صورت تک رشته توپر با رفتارایزوتروپ عرضی و فاز واسط بین نانولوله کربن و زمینه که دارای پیوند واندروالس است را با روابط محیط پیوسته معادل، به صورت یک محیط ایزوتروپ و هر دو فاز را به صورت الاستیک خطی در نظر می‌گیرد. زمینه نیز ماده‌ای با خواص پیزوالکتریک می‌باشد که به لحاظ مکانیکی ایزوتروپ و الاستیک بوده و در جهت عمود بر نانولوله‌ی کربنی پلاریزه شده است. آرایش نانولوله‌ی کربنی در زمینه به صورت منظم و مربعی فرض می‌شود. ابتدا نتایج بدست آمده از مدل ارائه شده، با تحقیقات پیشین دردسترس، مقایسه می‌شود. سپس اثرات درصد حجمی و نسبت منظر نانولوله‌ی کربنی و ضخامت موثر فاز میانی بر خواص کلی پیزونانوکامپوزیت بررسی می‌گردد. در این پژوهش تمام خواص موثر مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و پیزوالکتریکی نانوکامپوزیت علیرغم تحقیقات پیشین که هرکدام اثرات بخشی از پارامترهای نانوکامپوزیت را گزارش کرده‌اند، استخراج می‌شوند و مورد بررسی قرار می‌گیرند. نتایج نشان می‌دهد که حتی مقادیر کم درصد حجمی نانولوله‌ی کربن، تأثیر بسزایی در بهبود خواص کامپوزیت دارد. علاوه بر آن مدل‌سازی ناحیه‌ی فاز میانی تاثیر زیادی بر روی اکثر خواص نانوکامپوزیت دارد، در نتیجه مدل-سازی آن برای پیش‌بینی هر چه واقعی‌تر رفتار نانوکامپوزیت ضروری است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Electro-thermo-mechanical behavior modeling of short CNT reinforced piezo-polymeric composite

نویسندگان English

MohammadJavad Mahmoodi 1
Mohammad Vakilifard 2
چکیده English

A three-dimensional analytical micromechanical model based on unit cell is extended and presented to extract the electro-thermo-mechanical properties of short Carbon Nano-Tube (CNT) reinforced piezo-polymeric composite. Representative volume element (RVE) of the piezonanocomposite consists of three phases including CNT, piezo-polymeric matrix and interphase region. The presented model considers the CNT as a transversely isotropic solid fiber and CNT/matrix interphase region possessing van der Waals’ interaction as an isotropic hollow cylindrical solid that its mechanical properties are derived using the equivalent continuum model. Both phases are considered linear elastic. Also, the matrix is a piezoelectric material that is mechanically isotropic and elastic, and polarized along the perpendicular direction to CNT axis. The state of CNT arrangement within the matrix is assumed to be regular and square. First, the results obtained from the model are compared with available researches. Then, the effects of CNT volume fraction and aspect ratio and interphase effective thickness on the overall properties of the nanocomposite are investigated. In this study, despite the prior works, all the piezo-electro-thermo-mechanical properties of the nanocomposite are studied. The results show that even small amount of FVF has significant effect on improving the composite properties. Furthermore modeling of interphase region includes a great effect on the most of the composite properties, thus its modeling is necessary for more actual prediction about the nanocompite response.

کلیدواژه‌ها English

Piezo-polymeric nanocomposite
Micromechanics
Carbon nanotube
Interphase