مکانیک هوافضا

مکانیک هوافضا

مطالعه عددی رفتار مکانیکی نانولوله‌های کربنی در تغییر شکل‌های بزرگ کششی و فشاری بر اساس مدل کاهش‌یافته سازه‌ای

نوع مقاله : مکانیک جامدات

نویسنده
استادیار، دانشگاه صنعتی قوچان، قوچان، ایران
چکیده
رفتار مکانیکی نانومواد، با توجه به ابعاد بسیار کوچک آنها، به سادگی در آزمایش‌ها قابل ارزیابی نیست. از این رو، یافتن مدل‌های مناسب و در عین حال ساده برای تعیین خواص مکانیکی نانولوله‌‌های کربنی همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. در این مقاله، با هدف بررسی رفتار مکانیکی نانولوله‌های کربنی، یک ساختار فضایی متشکل از یک سلول واحد به کار گرفته شده است. سلول واحد مکانیکی به‌صورت یک خرپای دوبعدی برای ساختار دیواره‌ نانولوله‌ کربنی منظور شده است. ابتدا پیوندهای کربنی در نانولوله به یک المان سازه‌ای تبدیل و خواص آن محاسبه شده است. سپس با شبیه‌سازی عددی سازه در نرم‌افزار المان محدود، منحنی‌های تنش-کرنش در کشش و فشار استخراج شده و خواص مکانیکی نانولوله مورد بررسی قرار گرفته است. روش ارائه شده در این مقاله یک روش ساده و نوین برای به‌دست‌آوردن منحنی تنش-کرنش نانولوله کربنی و سایر نانوساختارها است. بررسی نتایج مربوط به خواص مکانیکی نانولوله‌ها در این مقاله، نشان می‌دهد تطابق مناسبی با نتایج دیگر مطالعات تجربی و تئوری در این حوزه وجود دارد
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Study of the Mechanical Behavior of Carbon Nanotubes in Large Tensile and Compressive Deformations Based on a Reduced Structural Model

نویسنده English

Ali Mohammad Naserian Nik
Assistant Professor,, Quchan University of Technology, Quchan, Iran
چکیده English

The mechanical behavior of nanomaterials, due to their very small dimensions, cannot be easily evaluated in experiments. Therefore, finding suitable and simple models to determine the mechanical properties of carbon nanotubes has always been of interest to researchers. In this paper, to investigate the mechanical behavior of carbon nanotubes, a spatial structure consisting of a unit cell was used. The mechanical unit cell is considered as a two-dimensional truss for the structure of the carbon nanotube wall. First, the carbon bonds in the nanotube is converted into a structural element and its properties is calculated. Then, by numerically simulating the structure in a finite element software, the stress-strain curves in tension and compression is extracted. The method presented in this article is a simple and novel method for obtaining the stress-strain curve of carbon nanotubes and other nanostructures. The results of presented in this article show that there is a good agreement with the results of other experimental and theoretical studies in this field.

کلیدواژه‌ها English

Carbon nanotube Stress
strain curve Mechanical properties Numerical simulation


Smiley face

[1]     Iijima S, Ichihashi T. Single-shell carbon    nanotubes of 1-nm diameter. nature. 1993;363(6430):603-5.   DOI   10.1038/363603a0
[2]     Bethune DS, Kiang CH, De Vries M, Gorman G, Savoy R, Vazquez J, et al. Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. Nature. 1993;363(6430):605-7. DOI 10.1038/363605a0
[3]     Mintmire JW, Dunlap BI, White CT. Are fullerene tubules metallic? Physical review letters. 1992;68(5):631. DOI 10.1103/PhysRevLett.68.631
[4]            Yu M-F, Lourie O, Dyer MJ, Moloni K, Kelly TF, Ruoff RS. Strength and breaking mechanism of multiwalled carbon nanotubes under tensile load. Science. 2000;287(5453):637-40. DOI 10.1126/science.287.5453.637
[5]     Berber, S., Kwon, Y.-K., & Tománek, D. (2000). Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes. In Physical Review Letters (Vol. 84, Issue 20, pp. 4613–4616). American Physical Society (APS).   DOI 10.1103/PhysRevLett.84.4613
[6]      Wong EW, Sheehan PE, Lieber CM. Nanobeam mechanics: elasticity, strength, and toughness of nanorods and nanotubes. science. 1997;277(5334):1971-5. DOI 10.1126/science.277.5334.1971
[7]     Treacy MJ, Ebbesen TW, Gibson JM.  Exceptionally high Young's modulus observed for individual carbon nanotubes. nature. 1996;381(6584):678-80. DOI   10.1038/381678a0                                                            
[8]     Yu M, Dyer MJ, Skidmore GD, Rohrs HW, Lu X, Ausman KD, et al. Three-dimensional manipulation of carbon nanotubes under a scanning electron microscope. Nanotechnology. 1999;10(3):244.  DOI   10.1088/0957-4484/10/3/304
[9]     Lourie O, Wagner H. Evaluation of Young's modulus of carbon nanotubes by micro-Raman spectroscopy. Journal of Materials Research. 1998;13(9):2418-22. DOI 10.1557/JMR.1998.0336
[10]  Hernandez E, Goze C, Bernier P, Rubio A. Elastic properties of C and BxCyNz composite nanotubes. Physical review letters. 1998;80(20):4502. DOI 10.1103/PhysRevLett.80.4502
[11]  WenXing B, ChangChun Z, WanZhao C. Simulation of Young's modulus of single-walled carbon nanotubes by molecular dynamics. Physica B: Condensed Matter. 2004;352(1-4):156-63. DOI 10.1016/j.physb.2004.07.005
[12]  Talukdar K, Mitra AK. A molecular dynamics simulation study for the mechanical properties of different types of carbon nanotubes. Applied Nanoscience. 2012;2(3):77-383 DOI 10.1007/s13204-012-0110-z
[13]  Liew KM, He XQ, Wong CH. On the study of elastic and plastic properties of multi-walled carbon nanotubes under axial tension using molecular dynamics simulation. Acta Materialia. 2004; 52(9):2521-2527. DOI 10.1016/j.actamat.2004.01.043
[14]   Natsuki T, Tantrakarn K, Endo M. Prediction of elastic properties for single-walled carbon nanotubes. Carbon. 2004;4(1):39-45.  DOI 10.1016/j.carbon.2003.09.011
[16]  Yang H, Zhang D, Song Y, Yang L, Zhang D, Liang R, Liu A. Molecular dynamic study of heterocyclic compounds and carbon nanotube. Applied Physics A. 2024;130:377. DOI 10.1007/s00339-024-07555-y
[17]   Belytschko T, Xiao S, Schatz G, Ruoff R. Atomistic simulations of nanotube fracture. Physical Review B. 2002;65(23):235430. DOI 10.1103/PhysRevB.65.235430
[18]  Rashidi M, Narooei K. Structural Mechanics Approach to Investigate the Hyperelastic Mechanical Behavior of Single and Multi-wall Carbon Nanotubes. Iranian Journal of Materials Forming. 2020;7(2):88-103. DOI 10.22099/ijmf.2020.37930.1163
[19]  Wang L, Tricard N, Chen Z, Deng S. Progress in computational methods and mechanistic insights on the growth of carbon nanotubes. The Royal Society of Chemistry. 2025;17(19):11812-11863.  DOI 10.1039/D4NR05487C
[20]  Jiang H, Zhang P, Liu B, Huang Y, Geubelle PH, Gao H, Hwang KC. The effect of nanotube radius on the constitutive model for carbon nanotubes. Computational Materials Science. 2003;28(3-4):429-442. DOI 10.1016/j.commatsci.2003.08.004
[21]  Shen Z, Li W, Ma J, Zhang X, Dong P, Wang S, Xu J, Zhang X. Theoretical predictions of size-dependent Young's and shear moduli of single-walled carbon nanotubes. Physica B: Condensed Matter. 2021;613():412994. DOI 10.1016/j.physb.2021.412994
[22]  Najmi L, Hu Zh. Molecular Dynamics Simulations of Effects of Geometric Parameters and Temperature on Mechanical Properties of Single-Walled Carbon Nanotubes. Journal of Composites Science. 2024;8(8):293. DOI  10.3390/jcs8080293
[23]  Ibn Malek I, Sarkar K, Zubair A. Predicting the mechanical properties of pristine and defective carbon nanotubes using a random forest model. Nanoscale Advances. 2024; 6(20): 5112–5132. DOI  10.1039/d4na00405a
[24]  Zhuang Zh, Chang J, Fan J, Li M, Dumitrică T, Xu H. Mechanical properties of knitted carbon nanotube sheet: A molecular dynamics study. Diamond and Related Materials. 2025;152, 112005. DOI  10.1016/j.diamond.2025.112005
[25]  Mir M, Tahani M, Hassani B. Analytical prediction of Young's modulus of carbon nanotubes using a variational method. Applied Mathematical Modelling. 2017;45:1031-43. DOI 10.1016/j.apm.2017.01.038
[27]  Meo M, Rossi M. Tensile failure prediction of single wall carbon nanotube. Engineering Fracture Mechanics. 2006;73(17): 2589-99. DOI 10.1016/j.engfracmech.2006.05.005
[29]   Natsuki T, Endo M. Stress simulation of carbon nanotubes in tension and compression. Carbon. 2004;42(11):2147-51. DOI 10.1016/j.carbon.2004.04.022
[30]   Xiao J, Gama B, Gillespie Jr J. An analytical molecular structural mechanics model for the mechanical properties of carbon nanotubes. International Journal of Solids and Structures. 2005; 42(11-12): 3075-92. DOI 10.1016/j.ijsolstr.2004.10.031
[31]   Kalamkarov AL, Georgiades A, Rokkam S, Veedu V, Ghasemi-Nejhad M. Analytical and numerical techniques to predict carbon nanotubes properties. International journal of Solids and Structures. 2006;43(22-23):6832-6854. DOI 10.1016/j.ijsolstr.2006.02.009
[32]  Beer FP, Johnston Jr ER, DeWolf JT, Mazurek DF.  Mechanics of Materials. 7th edition; 2015, McGraw-Hill.
[33]  Wei Ch, Cho K, Srivastava D. Tensile strength of carbon nanotubes under realistic temperature and strain rate. Physical Review B. 2003;67: 115407. DOI  10.1103/PhysRevB.67.115407
دوره 21، شماره 4 - شماره پیاپی 82
زمستان
زمستان 1404
صفحه 17-26

  • تاریخ دریافت 27 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری 15 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 05 آذر 1404
  • تاریخ انتشار 01 بهمن 1404