بررسی خواص مکانیکی پلی وینیل پیرولیدون تقویت شده با نانولوله های کربنی تک جداره با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی و مدلسازی المان محدود

روحی, سعید; علیزاده, یونس; انصاری, رضا

doi:10.22075/jme.2017.5173.

اداره چاپ و انتشارات دانشگاه سمنان

تعداد نشریات	21
تعداد شماره‌ها	697
تعداد مقالات	10,088
تعداد مشاهده مقاله	71,228,452
تعداد دریافت فایل اصل مقاله	62,957,831

	بررسی خواص مکانیکی پلی وینیل پیرولیدون تقویت شده با نانولوله های کربنی تک جداره با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی و مدلسازی المان محدود
مدل سازی در مهندسی
مقاله 30، دوره 16، شماره 52، فروردین 1397، صفحه 373-381 اصل مقاله (1.18 M)
نوع مقاله: پژوهشی
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22075/jme.2017.5173.
نویسندگان
سعید روحی^* ¹؛ یونس علیزاده²؛ رضا انصاری³
¹دانشگاه آزاد اسلامی لنگرود
²دانشگاه صنعتی امیرکبیر
³دانشگاه گیلان
تاریخ دریافت: 06 تیر 1393، تاریخ بازنگری: 06 اردیبهشت 1396، تاریخ پذیرش: 31 مرداد 1396
چکیده
در این مقاله با استفاده از روش شبیهسازی دینامیک مولکولی، خواص مکانیکی پلی وینیل پیرولیدون تقویتشده با نانولولههای کربنی تک جداره مورد بررسی قرار میگیرد. اثر قطر و کایرالیتی نانولوله بر مدول الاستیک نانوکامپوزیت تقویت شده با نانولولههای کربنی مطالعه میشود. نشان داده میشود که پلیمرهای تقویت شده با نانولولههای زیگزاگ از نانولولههای آرمچیر، دارای مدول یانگ طولی بزرگتری هستند. به عنوان نمونه، استفاده از نانولولههای (5و5) و (0و9) که دارای قطرهای تقریباً برابر هستند، برای تقویت ماتریس پلیمری با درصدحجمی 10% به ترتیب منجر به مدولهای 43/78 و 55/81 گیگاپاسکال برای نانوکامپوزیت حاصل خواهد شد. به علاوه، افزایش قطر بر مدول یانگ طولی، تأثیر معکوس خواهد داشت. در نهایت با توجه به عدم توانایی مدلهای المان محدود موجود در بررسی خواص مکانیکی پلیمرهای متشکل از اتمهایی به غیر از کربن، یک مدل المان محدود بر پایهی شبیهسازی دینامیک مولکولی ارائه میشود. نتایج به دستآمده با استفاده از این مدل، با دقت قابل قبولی به نتایج شبیهسازی دینامیک مولکولی نزدیک است. به علاوه، ضریب همبستگی قطر و مدول یانگ حاصل از روش دینامیک مولکولی برابر با 8375/0- و ضریب همبستگی قطر و مدول یانگ حاصل از روش المان محدود، 8781/0- به دست میآید.
کلیدواژه‌ها
نانوکامپوزیت؛ پلی وینیل پیرولیدون؛ نانولوله‌های کربنی تک جداره؛ شبیه‌سازی دینامیک مولکولی؛ روش المان محدود؛ خواص مکانیکی
عنوان مقاله [English]
On the mechanical properties of polyvinyl pyrrolidone reinforced by single-walled carbon nanotubes using molecular dynamics simulations and finite element modeling
نویسندگان [English]
Saeed Rouhi¹؛ Yunes Alizadeh²؛ Reza Ansari³
¹university
²university
³university
چکیده [English]
Molecular dynamics simulations are used to study the mechanical properties of single-walled carbon nanotube reinforced polyvinyl pyrrolidone matrix. The effects of nanotube diameter and chirality on the elastic moduli of carbon nanotube reinforced nanocomposites are studied. It is shown that zigzag nanotube reinforced polymers have higher longitudinal elastic modulus than their armchair counterparts. For example, embedding (5,5) and (9,0) SWCNTs whose diameters are close to eachother in polymer matrix lead to the elastic modulus of 78.43 and 81.55 GPa, respectively. Besides, increasing diameter results in decreasing longitudinal Young’s modulus. Because of disability of the existing finite element approaches to study the behavior of polymers containing atom types other than carbon, based on molecular dynamics simulations, a finite element method is proposed. The results of the proposed method are in good agreement with the results of molecular dynamics simulations. The correlation coefficient of diameter and Young's modulus obtained from molecular dynamics simulations is equal to -0.8375. Moreover, the correlation coefficient of diameter and Young's modulus computed by finite element method is obtained as -0.8781
کلیدواژه‌ها [English]
Nanocomposites, Polyvinyl pyrrolidone, Single-walled carbon nanotubes, Molecular dynamics simulations, finite element method, Mechanical properties

مراجع
[1] P.M. Ajayan, L.S. Schadler, C. Giannaris, A. Rubio, "Single-walled carbon nanotube–polymer composites: strength and weakness", Advanced Materials, Vol. 12, No. 10, 2000, pp. 750-753. [2] X. Gong, J. Liu, S. Baskaran, R.D. Voise, J.S. Young, "Surfactant-assisted processing of carbon nanotube/polymer composites", Chemistry of Materials, Vol. 12, No. 4, 2000, pp. 1049-1052. [3] R. Haggenmueller, H. H. Gommans, A.G. Rinzler, J.E. Fischer, K.I. Winey, "Aligned single-wall carbon nanotubes in composites by melt processing methods", Chemical Physics Letters, Vol. 330, No. 3-4, 2000, pp. 219-225. [4] D. Qian, E.C. Dickey, R. Andrews, T. Rantell, "Load transfer and deformation mechanisms in carbon nanotube-polystyrene composites", Applied Physics Letters, Vol. 76, 2000, pp. 2868-2870. [5] M.S. Shaffer, A.H. Windle, "Fabrication and characterization of carbon nanotube/poly (vinyl alcohol) composites", Advanced Materials, Vol. 11, No. 11, 1999, pp. 937-941. [6] S.J.V. Frankland, V.M. Harik, G.M. Odegard, D.W. Brenner, T.S. Gates, "The stress–strain behavior of polymer–nanotube composites from molecular dynamics simulation", Composites Science andTechnology, Vol. 63, No. 11, 2003, pp. 1655-1661. [7] Y. Han, J. Elliott, "Molecular dynamics simulations of the elastic properties of polymer/carbon nanotube composites", Computational Materials Science, Vol. 39, No. 2, 2007, pp. 315-323. [8] R. Zhu, E. Pan, A.K. Roy, "Molecular dynamics study of the stress–strain behavior of carbon-nanotube reinforced Epon 862 composites", Materials Science and Engineering: A, Vol. 447, No. 1-2, 2007, pp. 51-57. [9] V.V. Mokashi, D. Qian, Y. Liu, "A study on the tensile response and fracture in carbon nanotube-based composites using molecular mechanics", Composites science and technology, Vol. 67, No. 3-4, 2007, pp. 530-540. [10] J.L. Tsai, S.H. Tzeng, Y.T. Chiu, "Characterizing elastic properties of carbon nanotubes/polyimide nanocomposites using multi-scale simulation", Composites Part B: Engineering, Vol. 41, No. 1, 2010, pp. 106-115. [11] S. Yang, S. Yu, W. Kyoung, D.S. Han, M. Cho, "Multiscale modeling of size-dependent elastic properties of carbon nanotube/polymer nanocomposites with interfacial imperfections", Polymer, Vol. 53, No. 2, 2012, pp. 623-633. [12] S. Yang, S. Yu, J. Ryu, J.M. Cho, W. Kyoung, D.S. Han, M. Cho, "Nonlinear multiscale modeling approach to characterize elastoplastic behavior of CNT/polymer nanocomposites considering the interphase and interfacial imperfection", International Journal of Plasticity, Vol.41, 2013, pp. 124–146. [13] S. Yang, S. Yu, M. Cho, "Influence of Thrower-Stone-Wales defects on the interfacial properties of carbon nanotube/polypropylene composites by a molecular dynamics approach", Carbon, Vol.55, 2013, pp. 133– 143. [14] M. Bohlén, K. Bolton, "Molecular dynamics studies of the influence of single wall carbon nanotubes on the mechanical properties of Poly (vinylidene fluoride)", Computational Materials Science, Vol. 68, 2013, pp. 73-80. [15] C. Li, T.W. Chou, "Multiscale modeling of compressive behavior of carbon nanotube/polymer composites", Composites science and technology, Vol. 66, No. 14, 2006, pp. 2409-2414. [16] S.K. Georgantzinos, G.I. Giannopoulos, N.K. Anifantis, "Investigation of stress–strain behavior of single walled carbon nanotube/rubber composites by a multi-scale finite element method", Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Vol. 52, No. 3, 2009, pp. 158-164. [17] G.I. Giannopoulos, S.K. Georgantzinos, N.K. Anifantis, "A semi-continuum finite element approach to evaluate the Young’s modulus of single-walled carbon nanotube reinforced composites", Composites Part B: Engineering, Vol. 41, No. 8, 2010, pp. 594-601. [18] M.M. Shokrieh, R. Rafiee, "On the tensile behavior of an embedded carbon nanotube in polymer matrix with non-bonded interphase region", Composite Structures, Vol. 92, No. 3, 2010, pp. 647-652. [19] M.M. Shokrieh, R. Rafiee, "Investigation of nanotube length effect on the reinforcement efficiency in carbon nanotube based composites", Composite Structures, Vol. 92, No. 10, 2010, pp. 2415-2420. [20] J.M. Wernik, S.A. Meguid, "Coupling atomistics and continuum in solids: status, prospects, and challenges", International Journal of Mechanics and Materials in Design, Vol. 5, 2009, pp. 79-110. [21] J.M. Wernik, S.A. Meguid, "Multiscale modeling of the nonlinear response of nano-reinforced polymers", ActaMechanica, Vol. 217, No. 1-2, 2011, pp. 1-16. [22] S.A. Meguid, J.M. Wernik, Z.Q. Cheng, "Atomistic-based continuum representation of the effective properties of nano-reinforced epoxies", International Journal of Solids and Structures, Vol. 47, No. 13, 2010, pp. 1723-1736. [23] J.M. Wernik, B.J. Cornwell-Mott, S.A. Meguid, "Determination of the interfacial properties of carbon nanotube reinforced polymer composites using atomistic-based continuum model", International Journal of Solids and Structures, Vol. 49, No. 13, 2012, pp. 1852-1863. [24] M. Valero, B. Esteban, R. Peläez, and L.J. Rodrïguez, "Naproxen: hydroxypropyl-β-cyclodextrin: polyvinylpyrrolidone ternary complex formation", Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, Vol. 48, No. 3-4, 2004, pp. 157-163. [25] R. Ansari, S. Rouhi, "Atomistic finite element model for axial buckling of single-walled carbon nanotubes", Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Vol. 43, No. 1, 2010, pp. 58-69. [26] M.P. Allen, D.J. Tildesley, "Computer simulation of liquids" Oxford university press, 1989. [27] ANSYS Inc. Theory manual. SAS IP Inc.
آمار تعداد مشاهده مقاله: 1,128 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 411

سامانه مدیریت نشریات علمی. قدرت گرفته از سیناوب

پیوندهای مفید

پیوندهای مفید

آمار

بررسی خواص مکانیکی پلی وینیل پیرولیدون تقویت شده با نانولوله های کربنی تک جداره با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی و مدلسازی المان محدود