شبيه سازي ديناميك مولكولي نانوكامپوزيت هاي زمينه پليمري تقويت شده با نانولوله هاي كربني

Molecular Dynamics Simulation of Carbon Nanotube-Reinforced Polymer Nanocomposites

انوكامپوزيت هاي زمينه پليمري تقويت شده با نانولوله هاي كربني به دليل برخورداري از خواص مكانيكي مطلوب، مورد توجه ويژه مراكز پژوهشي و صنعتي قرار گرفته و مطالعات گسترده اي در رابطه با توسعه اين مواد و بهبود خواص آن ها صورت گرفته است. بسياري از اين تحقيقات به بررسي تاثير پارامترهاي مختلف بر روي خواص اين نانوكامپوزيت ها پرداخته اند. در اين ميان، استفاده از روش هاي تجربي با محدوديت هايي نظير مشكلات ساخت و هزينه هاي فراوان مواجه بوده و به همين دليل شاهد گسترش روز افزون استفاده از روش هاي شبيه سازي مقياس مولكولي در مطالعه خواص و رفتار اين مواد هستيم. در اين تحقيق، از روش ديناميك مولكولي و ميدان نيروي پي ‍‍‍ سي اف اف براي محاسبه خواص مكانيكي نانوكامپوزيت هاي زمينه پليمري تقويت شده با نانولوله‍هاي كربني تك جداره استفاده شده است. براي اين منظور، پليمر اپوكسي به دليل كاربرد گسترده در زمينه هاي مختلف و بهره مندي از خواص مكانيكي مناسب به عنوان زمينه در نظر گرفته شد. از آنجايي كه اپوكسي از پليمرهاي دو جزئي و گرماسخت محسوب مي شود، يك روش پليمريزاسيون چهار مرحله اي به كمك ديناميك مولكولي براي ايجاد اتصالات عرضي بين مونومرها به كار گرفته شد. در مرحله بعدي، پليمر اپوكسي و نانولوله هاي كربني براي مدل سازي نانوكامپوزيت هاي پليمري با كسرهاي وزني 1 تا 5 درصد مورد استفاده قرار گرفته و در نهايت ضرايب الاستيك نانوكامپوزت شامل مدول يانگ و مدول برشي به روش كرنش- ثابت محاسبه شد. نتايج شبيه سازي هاي ديناميك مولكولي حاكي از بهبود خواص مكانيكي پليمر اپوكسي در اثر اضافه نمودن نانولوله هاي كربني مي باشد.

Carbon nanotube-reinforced polymer nanocomposites have attracted great attention from research centers, due to their enhanced mechanical properties, and many studies have been performed for development of such materials. Many experimental and theoretical studies have investigated the effect of different parameters on the properties of these materials. However, there are some limitations associated with experimental methods, such as fabrication problems and high levels of costs. Hence, molecular simulations are growingly applied for study of properties and behavior of polymer/CNT nanocomposites. In this study, the molecular dynamics method was used to calculate the mechanical properties of CNT-reinforced epoxy nanocomposites. Since epoxy is a two-component thermoset polymer, the molecular dynamics method was utilized to create cross links between the monomers. Thereafter, cross-linked epoxy polymer and carbon nanotubes were used to construct the nanocomposite with containing 1-5 wt.% of CNTs. Finally, elastic constants of nanocomposite including Young’s and shear moduli were calculated using the constant-strain method. The results of simulations revealed that the mechanical properties of CNT-reinforced epoxy polymer were improved in comparison to those of pure polymer.