کلمات کلیدی: نانولوله کربنی، مدل مکانیک ساختاری، آباکوس، ضربه، انرژیفهرست مطالبفصل1: مقدمه1فصل2: مروری بر مطالعات پیشین72-1 مقدمه82-2 مطالعات پیشین92-2-1 پروانه و همکاران(2009)92-2-2 پروانه و شریعتی(2010)102-2-3 خلیلی و حقبین(2012)112-2-4 ژانگ و میلواگنام(2006)122-2-5 ژانگ و میلواگنام(2007)13فصل3: نانولوله کربنی153-1 مقدمه163-2 کشف نانولوله کربنی163-3 ساختار نانولوله کربنی173-4 برهمکنشها و پتانسیلهای موجود در نانولوله کربنی203-4-1 برهمکنش کشش پیوند213-4-2 برهمکنش خمش زاویهای پیوند(تغییر زاویه)223-4-3 برهمکنش پیچش دوسطحی233-4-4 برهمکنش پیچش خارج صفحهای233-4-5 برهمکنش واندروالس243-4-6 برهمکنش الکترواستاتیک253-5 ویژگیهای نانولوله کربنی263-6 مدلسازی نانولوله کربنی273-6-1 مقدمه273-6-2 مدلسازی مولکولی283-6-2-1 روش دینامیک مولکولی293-6-2-2 روشهای پایه303-6-3 مدلسازی پیوسته313-6-4 مدلسازی مکانیک ساختاری313-6-4-1 مدل اودگارد323-6-4-2 مدل لی و چو333-6-4-3 مدل هو343-6-4-4 مدل معو و روسی353-6-4-5 مدل ساختاری جدید36فصل4: رفتار مکانیکی نانولوله کربنی تحت ضربه434-1 مقدمه444-2 شبیهسازی ضربه روی نانولوله کربنی454-2-1 بررسی صحت مدل وشبیهسازی504-2-2 زاویه گلوله604-2-3 قطر نانولوله کربنی664-2-4 طول نانولوله کربنی694-2-5 نوع نانولوله کربنی724-2-6 تأثیر عیوب بر روی رفتار مکانیکی نانولوله کربنی تحت ضربه764-2-7 هندسه گلوله844-2-8 بررسی تأثیر خطای مدلسازی در تحقیق حاضر89فصل5: نتیجهگیری و پیشنهادات915-1 نتیجهگیری925-2 پیشنهادات93مراجع.....................................................................................................................................................................94 فهرست اشکال شکل (2‑1): مدول یانگ نانولوله کربنی تکجداره به عنوان تابعی از نسبت ظاهری نانولوله10شکل (2‑2): نانوکامپوزیت شبیهسازی شده در آباکوس، شامل نانولوله و ماتریس11شکل (2‑3): مدل اولیه نانولوله کربنی (الف): دو سر گیردار و (ب): یک سر گیردار12شکل (2‑4): ارتباط میان جذب انرژی و ارتفاع نسبی محل برخورد گلوله در نانولوله کربنی یک سر گیردار به قطر 75/0 نانومتر13شکل (2‑5): انرژی جذب شده نرماله شده توسط نانولوله کربنی با سه قطر مختلف بر حسب ارتفاع نسبی محل برخورد گلوله14شکل (2‑6): نمودار ویژگیهای مختلف گلوله بر حسب زمان 1: سرعت گلوله 2: جابجایی گلوله و نانولوله 3: جابجایی گلوله برای نانولوله کربنی به قطر 41/1 نانومتر14شکل (3‑1): نمایی از ساختار اتمی C6017شکل (3‑2): مکانیزم ساخت نانولوله کربنی18شکل (3‑3): سه نوع ساختار مختلف نانولوله کربنی19شکل (3‑4): برهمکنش کشش پیوند در اتمهای کربن21شکل (3‑5): برهمکنش خمش زاویهای در اتمهای کربن22شکل (3‑6): برهمکنش پیچش دو سطحی در اتمهای کربن23شکل (3‑7): برهمکنش پیچش خارج صفحهای در اتمهای کربن24شکل (3‑8): برهمکنش واندروالس در اتمهای کربن24شکل (3‑9): پیوند کربن-کربن: (الف) مدل فیزیکی، (ب) مدل FE کشش پیوند،(ج) مدل FE خمش پیوند35شکل (3‑10): پارامترهای مربوط به یک سلول واحد شش ضلعی38شکل (3‑11): نحوه قرارگرفتن دستگاه مختصات محلی بر روی مرکز اتمهای کربن40شکل (3‑12): المانهای فنر و رابط متناظر با برهمکنش اتمهای کربن41شکل (3‑13): تصویر یک نانولوله کربنی زیگزاگ در فضای CAE نرم‌افزار آباکوس41شکل (4‑1): قطعه صلب طراحی شده به عنوان گلوله46شکل (4‑2): مونتاژ گلوله در کنار نانولوله کربنی با طول 18/5 نانومتر در دو نما46شکل (4‑3): المان بندی اتم کربن48شکل (4‑4): پارامترهای مختلف موقعیت گلوله قبل از برخورد51شکل (4‑5): موقعیتهای مختلف گلوله در ارتفاعهای نسبی متفاوت قبل از برخورد51شکل (4‑6): نمودار انرژی بر حسب زمان در حالت برخورد گلوله به نانولوله کربنی در ارتفاع نسبی 5/0=z53شکل (4‑7): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبی (الف) تحقیق حاضر (ب) ژانگ و میلواگنام54شکل (4‑8): نمودار سرعت- زمان گلوله در موقعیتهای مختلف55شکل (4‑9): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی دو سرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله (الف)0.3=z (ب) 0.4=z (ج) 0.5=z56شکل (4‑10): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبی (الف) تحقیق حاضر (ب) ژانگ و میلواگنام58شکل (4‑11): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی یک سرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله (الف)0.3=z، (ب) 0.4=z، (ج) 0.5=z، (د) 0.6=z59شکل (4‑12) : حداکثر جابجایی نانولوله کربنی، (الف) یک سرگیردار، (ب) دو سرگیردار، در ارتفاع نسبی 5/0 برای گلوله60شکل (4‑13): مسیر برخوردگلوله زاویهدار و افقی به نانولوله کربنی61شکل (4‑14): منحنی تغییرات انرژی جذب شده نرماله شده توسط نانولوله کربنی بر حسب زاویه گلوله62شکل (4‑15): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی دو سرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای زوایای متفاوت گلوله (الف)0=θ، (ب) 15=θ، (ج) 30=θ، (د) 45=θ، (ه) 60=θ64شکل (4‑16): سیر حرکتی گلوله با زاویه 15 درجه نسبت به افق برای نانولوله کربنی دو سرگیردار، (الف) قبل از برخورد،(ب) لحظه0005/0 نانوثانیه، (ج) لحظه001048/0 نانوثانیه، (د) لحظه0015/0 نانوثانیه، (ه) لحظه002/0 نانوثانیه65شکل (4‑17): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی دوسرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای سه قطر مختلف (لف) D=0.95 nm، (ب) D=1.257 nm ، (ج) D=1.725 nm67شکل (4‑18): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده نانولوله کربنی با قطرهای مختلف68شکل (4‑19): منحنی مقدار انرژی جذب شده نرماله شده نانولوله کربنی برحسب طولهای مختلف70شکل (4‑20): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی دو سرگیردار به طول(الف) nm5.18 (ب) nm6.248 (ج) nm7.313 (د) nm8.378 (ه) nm9.514 در لحظه صفر شدن سرعت گلوله71شکل (4‑21): نمودار انرژی جذب شده نرماله شده برای نانولوله کربنی آرمچیر و زیگزاگ در ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله73شکل (4‑22): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی آرمچیر دو سرگیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله،(الف)0.3=z(ب) 0.4=z(ج) 0.5=z74شکل (4‑23): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی (الف) آرمچیر (ب) زیگزاگ در ارتفاع نسبی 0.5=z75شکل (4‑24): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی آرمچیر، (الف) دوسرگیردار، (ب) یک سرگیردار76شکل (4‑25): نقص از نوع استون- والز در نانولوله کربنی آرمچیر77شکل (4‑26): نقص از نوع تهیجای در نانولوله کربنی زیگزاگ77شکل (4‑27): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی معیوب از نوع تک تهیجای78شکل (4‑28): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی دوسرگیردار معیوب (الف) تک تهیجای(1)، (ب) تک تهیجای(2)، (ج) دو تهیجای(1)، (د) دو تهیجای(2)81شکل (4‑29): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی معیوب (الف) استون- والز (1) ، (ب) استون- والز(2)82شکل (4‑30): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی یک سر گیردار معیوب از نوع استون- والز،(الف) اصابت گلوله روی عیب، (ب) اصابت گلوله سمت مخالف عیب83شکل (4‑31): (الف) ابعاد هندسی گلوله، (ب) مونتاژ گلوله در کنار نانولوله کربنی با طول 313/7 نانومتر84شکل (4‑32): منحنی انرژی جذب شده نرماله شده بر حسب ارتفاع نسبی برای دو گلوله مختلف85شکل (4‑33): حداکثر تغییر شکل متناظر با کانتور جابجایی نانولوله کربنی دو سر گیردار در لحظه صفر شدن سرعت گلوله برای ارتفاعهای نسبی متفاوت گلوله استوانهای، (الف) 3/0z=، (ب) 4/0z=، (ج) 5/0z=86شکل (4‑34): گلوله مونتاژ شده در کنار نانولوله کربنی زیگزاگ به طول 313/7 در حالت عدم در برگیری تمام عرض نانولوله کربنی در دو نما87شکل (4‑35): حداکثر تغییر شکل نانولوله کربنی در لحظه صفر شدن سرعت گلوله88شکل (1‑36): ابعاد سلول واحد شش ضلعی قبل از برخورد .......................................................................................91فهرست جداولجدول (3‑1): پارامترهای ساختارهای مختلف نانولوله کربنی20جدول (3‑2): ثابتهای معادلات برهمکنش در نانولولههای کربنی39جدول (4‑1): شرایط اولیه نانولوله کربنی و گلوله49جدول (4‑2): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار در موقعیتهای مختلف گلوله52جدول (4‑3): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ یک سر گیردار در موقعیتهای مختلف گلوله58جدول (4‑4): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی دو سر گیردار در زاویههای مختلف برخوردگلوله62جدول (4‑5): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با قطرهای مختلف66جدول (4‑6): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی دو سرگیردار با طولهای مختلف69جدول (4‑7): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی آرمچیر دو سرگیردار درموقعیتهای مختلف گلوله72جدول (4‑8): انرژی جذب شده بوسیله نانولوله کربنی آرمچیر و زیگزاگ در ارتفاع نسبی 5/0 برای گلوله75جدول (4‑9): انرژی جذب شده نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با انواع عیوب79جدول (4‑10): حداکثر انرژی جذب شده بوسیله نانولوله کربنی یک سر گیردار با عیب استون- والز83جدول (4‑11): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار تحت ضربه توسط گلوله استوانهای85جدول (4‑12): انرژی جذب شده توسط نانولوله کربنی زیگزاگ دو سرگیردار با موقعیتی متفاوت برای گلوله88انسان همواره به دنبال محافظت از خود در برابر آسیب‌های احتمالی ناشی از ضربه در میدان‌های جنگ بوده است. از این رو از هزاران سال پیش زره به تن کرده است. در قرن پنجم پیش از میلاد در ایران و یونان برای ساخت زره از 14لایه کتان استفاده میشده است. 700 سال پس از میلاد نوعی زره بدون آستین شامل صفحههای فولادی یا آهنی که روی نوارهای چرمی چفت میشد در چین و کره ساخته شد که سبکی و انعطافپذیری ویژهای داشت. با پیشرفت سلاح و روی کار آمدن سلاح گرم توجه صنعتگران به تولید زرههایی جلب شد که به کمک صفحههای فولادی ضخیمتر و صفحههای سنگین اضافی بتوانند از بدن انسان در مقابل گلوله محافظت کنند. این کار باعث سنگینی زره شده و استفاده از آن برای شخص تن کننده طاقت‌فرسا می‌گردد. مهندسین در دهه ۱۹۶۰ یک جلیقه مقاوم در برابر گلوله و مناسب را ساختند که بر خلاف زره‌های سنتی بسیار راحت بود. جلیقههای ضد گلوله سبک از فلز ساخته نشده بود بلکه از بافت‌های فیبری که قابل دوخت بر روی جلیقه و دیگر لباس‌های سبک میباشد، ساخته‌شده‌اند. در سال 1965 شركت داپونت[1] اليافی با نام تجاری كولار[2] (از خانواده آراميد) توليد و از آن پارچه توليد كرد. در ابتدا كولار در صنعت لاستيک سازی و سپس در توليدات گوناگونی مثل طناب و واشر و قسمت‌های مختلف هواپيما و قايق استفاده گرديد. در سال 1971 الياف كولار به عنوان جايگزين الياف نايلون در جلیقههای ضد گلوله معرفی شد. در حال حاضر اين الياف يكی از مهم‌ترین الياف مورد استفاده در توليد اين نوع پوشاک میباشد]1[.جلیقههای ضد گلوله امروزی، به دو نوع تقسیم می‌شود: جلیقههای ضد گلوله سخت از صفحههای فلزی و یا سرامیکی ضخیم ساخته میشوند و به اندازه کافی برای انحراف گلوله و سایر سلاح‌ها مقاوم‌اند. مواد بکار رفته در این جلیقهها، گلوله‌ها را با همان نیرویی که به داخل در حال وارد شدن است به خارج هل می‌دهند. به این ترتیب جلیقه غیرقابل نفوذ خواهد بود. جلیقههای ضد گلوله سخت حفاظت بیشتری را نسبت به جلیقههای ضد گلوله نرم ایجاد می‌کنند ولی طاقت‌فرسا تر هستند.افسرهای پلیس و کارکنان نظامی این نوع از لوازم حفاظتی را در هنگامی که میزان خطر احتمالی بالا باشد به تن می‌کنند؛ ولی برای استفاده‌های روزمره عموماً از جلیقههای ضد گلوله نرم که میتوان به صورت ژاکت یا تیشرت معمولی به تن کرد، استفاده می‌کنند.روش کار این جلیقهها بسیار ساده است. در درون این جلیقهها یک ماده ضد گلوله قرار دارد که در حقیقت یک توری بسیار قوی است. برای درک چگونگی عملکرد آن، تور دروازه فوتبال را در نظر بگیرید که در پشت دروازه بسته شده است. وقتی که توپ به دروازه شوت می‌شود، دارای انرژی زیادی است و در هنگام اصابت به تور، در یک نقطه مشخص تور را به عقب هل میدهد. هر رشته از یک سمت تیرک به سمت دیگر امتداد دارد و نیروی وارد آمده در آن نقطه مشخص را به سر تا سر تور پخش می‌کند. این نیرو به دلیل به هم بافته بودن رشته‌ها پخش می‌شود و به این طریق، همه قسمت‌های تور انرژی وارده از سوی توپ را جذب می‌کنند و فرقی نمی‌کند که گلوله به کدام قسمت از تور اصابت کرده باشد.اگر یک تکه از ماده ضد گلوله را زیر میکروسکپ قرار دهیم، همین ساختار را مشاهده خواهد شد. رشتههای بلندی از الیاف که به هم تنیده شدهاند تا یک ساختار توری شکل متراکم را تشکیل دهند. حال با توجه به اینکه یک گلوله بسیار سریع تر از توپ حرکت می‌کند، بنابراین این توری باید از مواد محکم تری ساخته شود. معروف‌ترین ماده‌ای که در ساخت جلیقههای ضد گلوله به کار میرود، الیافی به نام کولار است]2[؛ الیافی سبک‌وزن که ۵ برابر مقاوم تر از یک تکه فولاد، در همان وزن است. زمانی که این ماده به صورت یک تور متراکم در می‌آید، می‌تواند نیروی زیادی را جذب کند. به منظور جلوگیری از رسیدن گلوله به سطح بدن، جلیقه ضد گلوله باید برخلاف ضربه مستقیمی که گلوله وارد می‌کند، عمل کند.به تازگی استفاده از الیافی تار عنکبوت در تولید جلیقهها متداول شده است. استحکام این رشته حدود 20 مرتبه بالاتر از فولاد است]3[.در هر حال دو عامل مهم در جلیقههای ضدگلوله، قابلیت جذب انرژی و سبکی آن‌ها میباشد. از این رو استفاده از موادی که دارای این خواص هستند برای دفع یا منحرف کردن گلوله مهم میباشد. جلیقههایی که تاکنون ساخته شده است ممکن است از مرگ جلوگیری کند اما همچنان باعث کبودی و آسیبدیدگی اندام‌های حیاتی بدن میشوند. از همین رو پژوهش برای رسیدن به بهترین ماده جهت استفاده در جلیقه ضدگلوله همچنان ادامه دارد. آخرین پژوهشهای صورت گرفته در این زمینه نشان میدهد که رشتههایی از جنس نانولوله کربنی[3] حتی از ابریشم عنکبوت نیز مقاومتر هستند. نانولولههای کربنی به دلیل استحکام بالا، وزن کم و ظرفیت جذب انرژی بالا بهترین مواد جهت ساخت وسایل ضد ضربه به ویژه جلیقههای ضدگلوله هستند.نانولولههای کربنی به دلیل خواص فوقالعاده مکانیکی و الکتریکی از سال 1991 که توسط ایجیما[4] کشف شدهاند]4[؛ در کانون توجه محققان در سرتاسر جهان قرارگرفتهاند و کارهای بسیار وسیعی در حوزههای مختلف در مورد این مواد صورت گرفته است. پس از کشف نانولولههای کربنی محققین به انجام آزمایش بر روی این ساختار روی آوردهاند؛ اما صرف هزینههای بسیار زیاد برای انجام این آزمایشها محققان را بر آن داشت تا با استفاده از روشهای مختلف کامپیوتری به شبیهسازی رفتارهای مختلف این ماده بپردازند. از مهم‌ترین این روشها میتوان به روشهای آبینیشیو[5] و شبیهسازی دینامیک مولکولی[6] اشاره کرد. البته لازم به ذکر است که روش دینامیک مولکولی دارای دقت بسیار بالایی است؛ اما استفاده از آن نیاز به وقت و هزینههای زیادی دارد و بکارگیری آن برای همه مقدور نیست. این امر سبب شد تا محققین همچنان به دنبال روشی جامع و مطمئن باشند تا به وسیله آن بتوان نانولولههای کربنی را تحت بارگذاریها و شرایط مرزی مختلف مورد بررسی قرارداد.