شيوه جديدي براي پيش‌بيني خواص نانوكامپوزيت‌ها

فارس، رهام رفيعي پژوهشگري در حوزه سازه، مواد كامپوزيتي و نانوكامپوزيت‌هاست كه در رساله دكتري خود به پيش‌بيني خواص مكانيكي كامپوزيت تقويت شده با نانولوله كربني پرداخته‌است.
وي هدف از اين تحقيق را پيش‌بيني خواص مكانيكي (مدول الاستيك و ضريب پوآسون) كامپوزيت پليمري تقويت شده با نانولوله كربني بيان كرد.
رفيعي، در مورد نتايج اين كار پژوهش افزود:«با توجه به نتايج اين پژوهش، استفاده مستقيم از قوانين مايكرومكانيك براي پيش‌بيني خواص نانوكامپوزيت‌هاي حاوي نانولوله كربني صحيح نبوده و استفاده از روش چندمقياسي ضروري است. با توجه به ماهيت حاكم بر نانولوله كربن، مدل‌سازي صحيح بايد بر اساس يك روش تصادفي صورت پذيرد و استفاده از روش‌هاي قطعي، منجر به پاسخ‌هاي دور از واقعيت مي‌شود.
پس از تحليل، مشخص شد كه مي‌توان از مقادير ميانگين طول و كسر حجمي نانولوله كربني، به جاي مقادير تصادفي آنها استفاده كرد و ساير متغيرها همانند جهت‌هاي مختلف راستاي نانولوله كربن، شكل غيرمستقيم، ميزان تجمع توده‌اي و انتشار غيريكنواخت نانولوله كربن در محيط مادي مي‌بايست لزوماً به صورت تصادفي در مدل‌سازي لحاظ گردند. گفتني است كه نتايج شبيه‌سازي تطابق بسيار خوبي با مشاهدات آزمايشگاهي صورت گرفته توسط ديگران را نشان مي‌دهد».
دكتري تخصصي مهندسي مكانيك در رابطه با چگونگي انجام اين پژوهش اظهار داشت: در اين پژوهش، يك روش چندمقياسي تمام احتمالي براي پيش‌بيني خواص كامپوزيت تقويت شده با نانولوله كربن ارايه شده‌است.
شيوه چندمقياسي توسعه داده شده، تمامي مقياس‌هاي نانو، مايكرو، مسو و مكرو را در برمي‌گيرد و بر اساس يك رهيافت پايين به بالا از مقياس نانو آغاز گرديده، پس از گذار از مقياس‌هاي مياني مايكرو و مسو به مقياس نهايي مكرو ختم مي‌شود.
در مقياس نانو، حل بسته‌اي براي پيش‌بيني مدول الاستيك نانولوله كربني بر اساس مدل‌سازي محيط پيوسته نانومقياس با استفاده از المان تير توسعه داده شده‌است. ابتدا، حل بسته‌اي براي شبيه‌سازي ورق گرافن انجام شده‌است و اين حل بسته به نانولوله كربني بسط داده شده‌است.
حل بسته توسعه داده شده براي نانولوله كربن بر اساس المان تير تطابق بسيار خوبي با مشاهدات آزمايشگاهي نشان مي‌دهد و اختلاف بسيار كمي با حل تحليلي مبتني بر المان فنر دارد. بنابراين در اين پژوهش استفاده از المان تير به عنوان يك ساده‌سازي بسيار مناسب براي شبيه‌سازي نانولوله كربن ملاك عمل قرار گرفته‌است.
در مقياس مايكرو، از يك مدل‌سازي المان محدود چندمقياسي كه نانولوله را به صورت ساختار مشبك مولكولي خود در مقياس نانو و رزين اطراف را به صورت يك محيط پيوسته در مقياس مايكرو شبيه‌سازي مي‌كند، استفاده شده‌است.
فاز واسط در اين پژوهش به صورت كامل از نوع برهم‌كنش واندروالس در نظر گرفته شده‌است. با توجه به ماهيت غيرخطي برهم‌كنش واندروالس، تحليل المان محدود به صورت غير خطي و تطابقي صورت پذيرفته و در هر مرحله از تحليل، وضعيت پيوندهاي واندروالس بر اساس آخرين وضعيت نانولوله و رزين اطراف اصلاح شده‌است.
با توجه به اين امر كه قوانين مايكرومكانيك مورد استفاده براي كامپوزيت‌ها در مقياس نانو معتبر نيستند، بر خلاف پژوهش‌هاي پيشين، به جاي استفاده مستقيم از روابط مايكرومكانيك، ايده تك رشته معادل كه جايگزين نانولوله كربن و فاز واسط آن است؛ استفاده شده‌است.
خواص مكانيكي تك‌رشته معادل بر اساس مدل‌سازي ذكر شده محاسبه شده‌ كه حاكي از رفتار ايزوتروپ جانبي براي تك‌رشته معادل است. تأثير طول نانولوله كربني بر پديده انتقال بار از رزين به نانولوله كربن نيز بررسي شده‌است.
در مقياس مسو، مدل مايكرومكانيك مناسب به منظور لحاظ كردن جهت‌هاي مختلف نانولوله و تجمع نانولوله‌ها در توده‌هاي خوشه‌اي شناسايي و معرفي شده‌است. در اين مقياس، قرارگيري نانولوله كربن به صورت غيرمستقيم و تاثير آن در افت خواص مكانيكي بلوك‌هاي سازنده محيط مادي بررسي شده و يك روش تحديدي پديده‌شناختي به منظور لحاظ كردن قرارگيري نانولوله به صورت غيرمستقيم توسعه داده شده‌است. خواص نهايي محيط مادي در مقياس مكرو، بر اساس ميانگين‌گيري از خواص بلوك‌هاي سازنده محاسبه شده‌است. روش ذكر شده جايگزين بسيار مناسبي براي روش اجزاء محدود بوده و زمان تحليل را به صورت فزاينده‌اي كاهش مي‌دهد.
با توجه به عدم قطعيت‌هاي موجود در مسئله، در اين تحقيق شيوه مدل‌سازي چندمقياسي بر خلاف ساير پژوهش‌ها به صورت تمام تصادفي صورت گرفته‌است. پارامترهايي همانند طول نانولوله كربن، جهت‌هاي مختلف راستاي نانولوله كربن، شكل غيرمستقيم، ميزان تجمع توده‌اي و انتشار غيريكنواخت نانولوله كربن در محيط مادي به صورت اتفاقي شبيه‌سازي شده‌اند».
جزئيات اين طرح كه با راهنمايي دكتر محمود مهرداد شكريه انجام شده، در پنج مقاله مختلف در مجلات Mechanics of Composite Materials, In Press در سال 2010 ، Composite Structures ، Material and Design ، Mechanics Research Communications و Composite Structures در سال 2010 منتشر شده ‌است.