Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Fatallah Karimzadeh
سعید ضیائی راد (استاد راهنما) فتح اله کریم زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammad Mahdi Zaeri
محمدمهدی زائری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

A Study on Fabrication Methods of Composites Containing Buckypaper Sheets and Their Mechanical Modeling
Meeting the need for materials with new properties sought in modern technologies, composites have found wide applications. With the advent of nanotechnology, a new window was opened in different scientific fields including composites science and nanocomposites were introduced. In these materials the superiority of material at nanometer scale over bulk state is exploited. Among nanocomposites those with polymer matrix reinforced by carbon nanotubes are of particular interest. In a novel form of these nanocomposites which has recently attracted attention, first a porous sheet composed of a random network of carbon nanotube bundles, called buckypaper, is made and then the composite is fabricated through infiltrating the resin into its pores. In the present research, firstly, necessarybasics including nanotechnology, properties of carbon element and its allotropes, composite, nanocomposite and modeling techniques were investigated. Then methods of fabrication of buckypaper including suspension filtration, frit compression, domino pushing, continuous production and hydroentangling, and vacuum assisted resin transfer molding and dipping methods for producing composites containing buckypaper sheets were studied. Then using an approach called molecular structural mechanics along with finite element method (ANSYS package), mechanical models were developed for graphene, single walled carbon nanotubes, multi walled carbon nanotubes, nanotube bundles, buckypaper and buckypaper/epoxy nanocomposite. In each step, the geometry of the model was generated by MATLAB programming and then was transferred to ANSYS as an APDL input file. Utilizing the models, elastic behavior of the mentioned nanostructures was simulatedandtheirelastic moduli were obtained. Effect of different parameters like diameter and chirality of carbon nanotubes, number of nanotubes in bundles, porosity of buckypaper and alignment of bundles in buckypaper nanocomposite wasinvestigated. The obtained results for carbon nanotubes are well close to the known values of about 1000 GPa for Young’s modulus and 500 GPa for shear modulus. Also, comparison between the obtained results for buckypaper and its nanocomposite and values reported in other theoretical and experimental researches (Young’s modulus of buckypaper 0.2-12.2 GPa and Young’s modulus of buckypaper nanocomposite 5-45 GPa) shows good agreement and implies the efficiency of the applied modeling approach. Results approve the idea of producing nanocomposite from buckypaper because the properties of nanocomposite show improvement over both buckypaper and epoxy in such a way that the improvement is six times the properties of the neat resin in some cases. Key Words : carbon nanotube, buckypaper, nanocomposite, modeling, mechanical properties, molecular structural mechanics, finite element method.
کامپوزیت ها با بر آورده کردن نیاز به موادی با خواص جدید مورد نظر در فناوری های روز و با توجه به سهولت تولید، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف یافته اند. با ظهور نانوتکنولوژی دریچه ای نو بر روی رشته های مختلف علمی از جمله علم کامپوزیت گشوده شد و نانوکامپوزیت ها مطرح شدند. در این مواد از برتری های ماده در مقیاس نانومتری نسبت به حالت توده ای بهره برده می شود. در میان نانوکامپوزیت ها، کامپوزیت های پلیمری که با نانولوله های کربنی تقویت می شوند از جایگاه خاصی برخوردارند. در شکل جدیدی از این نانوکامپوزیت ها که اخیراً مورد توجه قرار گرفته است، ابتدا صفحه ای ماکروسکوپیک، نازک و متخلخل، متشکل از شبکه ای تصادفی از دسته های نانولوله های کربنی به نام باکی پیپر تهیه می شود و سپس با نفوذ دادن رزین به داخل خلل و فرج آن، کامپوزیت تولید می گردد.در این تحقیق ابتدا مقدمات و مبانی لازم شامل نانوتکنولوژی، خواص عنصر کربن و آلوتروپ های آن، کامپوزیت، نانوکامپوزیت و روش های مدل سازی بررسی شد. سپس روش های تولید باکی پیپر شامل فیلتراسیون سوسپانسیون، فشار با جسم متخلخل، فشردن با استفاده از اثر دومینو، تولید پیوسته و در هم آمیختن با آب و روش های قالب گیری با انتقال رزین به کمک خلأ و غوطه وری برای تولید کامپوزیت حاوی صفحات باکی پیپر مطالعه گردید. در ادامه با استفاده از روشی به نام مکانیک سازه ای مولکولی همراه با روش اجزاء محدود (نرم افزار ANSYS)، مدل هایی مکانیکی برای گرافین، نانولوله های کربنی تک دیواره، نانولوله های کربنی چند دیواره، دسته های نانولوله، باکی پیپر و نانوکامپوزیت باکی پیپر/اپوکسی ایجاد گردید. در هر مرحله هندسه مدل با برنامه نویسی کد MATLAB تولید و سپس به صورت یک فایل ورودی APDL به ANSYS انتقال داده شد با استفاده از این مدل ها، رفتار الاستیک نانوساختارهای مذکور تحت بارگذاری های کششی، برشی یا پیچشی شبیه سازی شده و مدول های یانگ و برشی آنها استخراج گردید. اثر پارامترهای مختلف نظیر طول صفحات گرافین، تعداد دیواره ها، قطر و کایرالیته نانولوله های کربنی، تعداد نانولوله ها در دسته های نانولوله، تخلخل باکی پیپر و هم راستایی دسته ها در نانوکامپوزیت باکی پیپر، بر مدول های الاستیک بررسی شد. نتایج حاصل برای نانولوله های کربنی به خوبی به مقادیر شناخته شده حدود 1000 GPa برای مدول یانگ و 500 GPa برای مدول برشی نزدیک است. مقایسه نتایج حاصل برای باکی پیپر و نانوکامپوزیت آن با مقادیر گزارش شده در سایر پژوهش های تئوری و تجربی (مدول یانگ باکی پیپر 0.2-12.2 GPa و مدول یانگ نانوکامپوزیت باکی پیپر 5-45 GPa) نیز هم خوانی خوبی را نشان می دهد و حاکی از کارامدی روش مدل سازی به کار گرفته شده است. نتایج، مؤید ایده تهیه نانوکامپوزیت از باکی پیپر می باشد زیرا خواص نانوکامپوزیت نسبت به خواص باکی پیپر و اپوکسی هر دو ارتقاء نشان می دهد به طوری که در برخی موارد این بهبود تا شش برابر خواص رزین خالص است. کلمات کلیدی : نانولوله کربنی، باکی پیپر، نانوکامپوزیت، مدل سازی، خواص مکانیکی، مکانیک سازه ای مولکولی، روش اجزاء محدود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی