مدلسازي رفتار الكتروترمومكانيكي كامپوزيت پيزو پليمري تقويت شده با نانو لوله‌هاي كربني كوتاه

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

يك مدل تحليلي ميكرومكانيكي سه بعدي برپايه سلول واحد جهت استخراج خواص مكانيكي، حرارتي و الكتريكي كامپوزيت پيزوپليمر تقويت شده با نانولوله‌ي كربن طرحريزي و تعميم داده مي‌شود. المان حجمي نماينده پيزونانوكامپوزيت شامل سه فاز تقويت كننده‌ي نانولوله كربني، زمينه‌ي پيزوپليمري و ناحيه فاز مياني مي‌باشد. مدل حاضر نانو لوله كربن را به صورت تك رشته توپر با رفتارايزوتروپ عرضي و فاز واسط بين نانولوله كربن و زمينه كه داراي پيوند واندروالس است را با روابط محيط پيوسته معادل، به صورت يك محيط ايزوتروپ و هر دو فاز را به صورت الاستيك خطي در نظر مي‌گيرد. زمينه نيز ماده‌اي با خواص پيزوالكتريك مي‌باشد كه به لحاظ مكانيكي ايزوتروپ و الاستيك بوده و در جهت عمود بر نانولوله‌ي كربني پلاريزه شده است. آرايش نانولوله‌ي كربني در زمينه به صورت منظم و مربعي فرض مي‌شود. ابتدا نتايج بدست آمده از مدل ارائه شده، با تحقيقات پيشين دردسترس، مقايسه مي‌شود. سپس اثرات درصد حجمي و نسبت منظر نانولوله‌ي كربني و ضخامت موثر فاز مياني بر خواص كلي پيزونانوكامپوزيت بررسي مي‌گردد. در اين پژوهش تمام خواص موثر مكانيكي، حرارتي، الكتريكي و پيزوالكتريكي نانوكامپوزيت عليرغم تحقيقات پيشين كه هركدام اثرات بخشي از پارامترهاي نانوكامپوزيت را گزارش كرده‌اند، استخراج مي‌شوند و مورد بررسي قرار مي‌گيرند. نتايج نشان مي‌دهد كه حتي مقادير كم درصد حجمي نانولوله‌ي كربن، تأثير بسزايي در بهبود خواص كامپوزيت دارد. علاوه بر آن مدل‌سازي ناحيه‌ي فاز مياني تاثير زيادي بر روي اكثر خواص نانوكامپوزيت دارد، در نتيجه مدلسازي آن براي پيش‌بيني هر چه واقعي‌تر رفتار نانوكامپوزيت ضروري است.

A threedimensional analytical micromechanical model based on unit cell is extended and presented to extract the electrothermomechanical properties of short Carbon NanoTube (CNT) reinforced piezopolymeric composite. Representative volume element (RVE) of the piezonanocomposite consists of three phases including CNT, piezopolymeric 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 piezoelectrothermomechanical 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.