مدل سازي چند مقياسي شكست در نانوكامپوزيت پليمري تقويت شده با نانولوله هاي كربني سالم و عامل دار شده

Multiscale modeling of fracture in polymer nanocomposite reinforced by intact and functionalized CNTs

در اين تحقيق تلاش شده است، عوامل موثر بر خواص مكانيكي و مكانيزم شكست نانوكامپوزيت پليمري تقويت شده با نانولوله هاي كربني سالم و عامل دار شده مورد ارزيابي قرار گيرد. مدل سازي در دو فاز نانو و ميكرو انجام شده كه اثر نقص هاي ساختاري حفره و پيوند هاي كوالانسي ناشي از فرآيند عامل دار كردن نانولوله ها در فاز نانو و نحوه توزيع، شكل و انحناي نانولوله ها در فاز ميكرو نيز بررسي شده است. مشاهده مي شود كه با توجه به عواملي همچون توزيع، اعوجاج و عامل دار شدن نانولوله هاي كربني، امكان كاهش يا افزايش استحكام نانوكامپوزيت هاي پليمري در مقابل پليمر خالص وجود دارد. همچنين عامل دار كردن نانولوله هاي كربني باعث بهبود استحكام نانوكامپوزيت پليمري شده و شكنندگي آن ها را كاهش مي دهد. از سوي ديگر، نقص هاي ساختاري ايجادشده در پروسه عامل دار كردن نانولوله هاي كربني، باعث كاهش مدول الاستيسته نانوكامپوزيت مي شود. همچنين چنان چه انحناي نانولوله هاي كربني تقويت كننده نانوكامپوزيت پليمري افزايش يابد، اثر بهبود دهنده عامل دار كردن نانولوله هاي كربني كاهش چشمگيري مي يابد و به خواص نانوكامپوزيت تقويت شده با نانولوله هاي سالم نزديك مي شود.

In this research, mechanical properties and fracture mechanism of polymer nanocomposite reinforced by carbon nanotubes (CNTs) has been evaluated employing multiscale modeling method. Effect of CNTs’ structural defects and covalent bonds created during functionalization process are investigated in nanoscale analysis and the effect of CNTs’ dispersion, curvature and volume fraction are studied in microscale analysis. In microscale modeling both analytical and finite element methods are employed to investigate mechanical properties and their results are compared. It has been investigated that, according to mentioned parameters such as CNTs’ dispersion, volume fraction, functionalization and curvature in polymer matrix, both increase and decrease in ultimate strength of polymer nanocomposite are possible with respect to pure polymer. Moreover, polymer nanocomposite’s ultimate strength is increased and fracture brittleness is decreased significantly using functionalized CNTs. On the other hand, the CNT’s structural defects caused during functionalization process decrease polymer nanocomposite Young’s modulus. It also has been demonstrated that by increasing curvature, the improving effects of functionalized CNTs on mechanical properties of polymer nanocomposite, decrease obviously.