بررسي خواص مكانيكي پلي وينيل پيروليدون تقويت شده با نانولوله هاي كربني تك جداره با استفاده از روش شبيه سازي ديناميك مولكولي و مدلسازي المان محدود

On the mechanical properties of polyvinyl pyrrolidone reinforced by single-walled carbon nanotubes using molecular dynamics simulations and finite element modeling

در اين مقاله با استفاده از روش شبيه سازي ديناميك مولكولي، خواص مكانيكي پلي وينيل پيروليدون تقويت شده با نانولوله هاي كربني تك جداره مورد بررسي قرار مي گيرد. اثر قطر و كايراليتي نانولوله بر مدول الاستيك نانوكامپوزيت تقويت شده با نانولوله هاي كربني مطالعه مي شود. نشان داده مي شود كه پليمرهاي تقويت شده با نانولوله هاي زيگزاگ از نانولوله هاي آرمچير، داراي مدول يانگ طولي بزرگتري هستند. به عنوان نمونه، استفاده از نانولوله هاي (5و5) و (0و9) كه داراي قطرهاي تقريباً برابر هستند، براي تقويت ماتريس پليمري با درصدحجمي 10% به ترتيب منجر به مدول هاي 78.43 و 81.55 گيگاپاسكال براي نانوكامپوزيت حاصل خواهد شد. به علاوه، افزايش قطر بر مدول يانگ طولي، تاثير معكوس خواهد داشت. در نهايت با توجه به عدم توانايي مدلهاي المان محدود موجود در بررسي خواص مكانيكي پليمرهاي متشكل از اتم هايي به غير از كربن، يك مدل المان محدود بر پايه ي شبيه سازي ديناميك مولكولي ارائه مي شود. نتايج به دست آمده با استفاده از اين مدل، با دقت قابل قبولي به نتايج شبيه سازي ديناميك مولكولي نزديك است. به علاوه، ضريب همبستگي قطر و مدول يانگ حاصل از روش ديناميك مولكولي برابر با 0.8375 و ضريب همبستگي قطر و مدول يانگ حاصل از روش المان محدود، 0.8781 - به دست مي آيد.

Molecular dynamics simulations are used to study the mechanical properties of single-walled carbon nanotube reinforced polyvinyl pyrrolidone matrix. The effects of nanotube diameter and chirality on the elastic moduli of carbon nanotube reinforced nanocomposites are studied. It is shown that zigzag nanotube reinforced polymers have higher longitudinal elastic modulus than their armchair counterparts. For example, embedding (5,5) and (9,0) SWCNTs whose diameters are close to eachother in polymer matrix lead to the elastic modulus of 78.43 and 81.55 GPa, respectively. Besides, increasing diameter results in decreasing longitudinal Young’s modulus. Because of disability of the existing finite element approaches to study the behavior of polymers containing atom types other than carbon, based on molecular dynamics simulations, a finite element method is proposed. The results of the proposed method are in good agreement with the results of molecular dynamics simulations. The correlation coefficient of diameter and Young's modulus obtained from molecular dynamics simulations is equal to -0.8375. Moreover, the correlation coefficient of diameter and Young's modulus computed by finite element method is obtained as -0.8781