نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، تهران

2 استادیار، دانشکدهی فنی و مهندسی، دانشگاه الزهرا، تهران

10.22068/jstc.2020.116672.1601

چکیده

با توجه به استفاده گسترده از نانو لوله های کربنی در ساخت مواد مرکب با قابلیت‌های ویژه، در این مطالعه، ثابت های الاستیک، فاکتور Q و ضریب میرایی طولی بلور مس تقویت ‌شده با نانو لوله‌های کربنی، با استفاده از روش دینامیک مولکولی محاسبه‌ شده است. همچنین اثر دما و کایرالیتی نانو لوله ها‌ی کربنی بر این پارامترها مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر این، در مدلسازی ها از دو پتانسیل بین اتمی ایربو و ترسوف برای شبیه سازی میان کنش اتم های کربن، استفاده شده و اثر پتانسیل مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، به منظور بررسی اثر طول نانو لوله ها در خواص مکانیکی کامپوزیت، نمونه هایی با طول الیاف کوتاه تر نیز در نظر گرفته شده است. در این مطالعه، مدول یانگ با اعمال تنش تک‌محوری و فاکتور Q با استفاده از روش ارتعاش اجباری محاسبه می شود. سپس، با استفاده از نظریه ضریب میرایی طولی سازه‌های چند درجه آزادی، ضریب میرایی طولی تعیین می شود. نتایج به ‌دست‌ آمده نشان می دهد که افزودن نانو لوله های کربنی به محیط مس بلوری باعث افزایش مدول یانگ و ضریب میرایی کامپوزیت می شود. از بین نانو لوله‌های کربنی آرمچیر، زیگزاگ و کایرال با قطر و طول یکسان، نانو لوله‌ی کربنی کایرال یا آرمچیر بسته به پتانسیل مورد استفاده اثر فزاینده تری بر مدول یانگ ماده مرکب دارد. همچنین، با تقویت بلور مس به ‌وسیله نانو لوله های کربنی، فاکتور Q به طور چشمگیری کاهش می یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Young modulus and longitudinal damping coefficient of the composite copper reinforced by carbon nanotubes

نویسندگان [English]

  • Mahsa Arasteh 1
  • Farzaneh Ojaghnezhad 2

1 Civil Engineering, South Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

2 Engineering Department, Alzahra University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Due to the widespread use of carbon nanotubes in composites with special capabilities, in this study, the elastic constants, Q-factor, and longitudinal damping coefficient of crystalline copper reinforced by carbon nanotubes were examined exploiting molecular dynamics simulation. The effect of temperature and chirality of carbon nanotubes on the above-mentioned parameters was also investigated. The mechanical behavior of the copper composites is considered for two different carbon interatomic potentials Airebo and Tersoff. Additionally, the mechanical characteristics of the composites are pursued in the case of short carbon nanotube fibers, as well. In this work, Young's modulus and Q-factor were determined via the uniaxial stress and forced vibration method, respectively. Subsequently, employing the multi-degree of freedom structural dynamics, the longitudinal damping coefficient was obtained. The results showed that by the addition of the carbon nanotubes to the copper matrix, its Young's modulus and damping coefficient increased. A comparison between armchair, zigzag, and chiral carbon nanotubes of the same diameter and length manifested that the chiral or armchair carbon nanotubes, depending on the employed interatomic potentials, had a more dominant effect on increasing the composite Young's modulus. Moreover, the calculations show that the Q-factor in the reinforced cell was significantly reduced.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Longitudinal damping coefficient
  • Young's modulus
  • Q-factor
  • Molecular dynamics
[1] Delfani, M.R., Shodja, H.M. and Ojaghnezhad, F., “Mechanics and Morphology of Single-walled Carbon Nanotubes: from Graphene to the Elastica,” Philosophical Magazine, Vol. 93, No. 17, pp. 2057-2088, 2013.
[2]Casati, R. and Vedani, M., “Metal Matrix Composites Reinforced bu Nano-Particles-A Review,” Metals, Vol. 4, pp. 65-83, 2014.
[3]Choi, B.K., Yoon, G.H. and Lee, S., “Molecular Dynamics Studies of CNT-Reinforced Aluminum Composites Under Uniaxial Tensile Loading,” Composites Part B: Engineering, Vol. 91, pp. 119-125, 2016.
[4]Hu, N., Fukunaga, H., Lu, C., Kameyama, M. and  Yan, B., “Prediction of Elastic Properties of Carbon Nanotube Reinforced Composites,” Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 461, No. 2058, pp. 1685-1710, 2005.
[5]Shokrieh, M. M. and Rafiee, R., “On the Tensile Behavior of an Embedded Carbon Nanotube in Polymer Matrix with Non-Bonded Interphase Region,” Composite Structures, Vol. 92, No. 3, pp. 647-652, 2010.
[6]Shokrieh, M. M. and Rafiee, R., “Investigation of Nanotube Length Effect on the Reinforcement Efficiency in Carbon Nanotube Based Composites,” Composite Structures, Vol. 92, No. 10, pp. 2415-2420, 2010.
[7]Khosravi, H., Eslami-Farsani, R. and  Ebrahimnezhad-Khaljiri, H., “An Experimental Study on Mechanical Properties of Epoxy/basalt/carbon Nanotube Composites under Tensile and Flexural Loadings,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 3, No. 2, pp. 187-194, 2016.
[8]Esmaeili, R. and Dashtbayazi, M.R., “Simulation of Mechanical Properties of Al-SiC Nanocomposite Using Molecular Dynamics Method,” In Persian, JAME, Vol. 32, No. 2, pp. 43-54, 2013.
[9]Madoliat, R., Ghasemi-Ghalebahman, A. and  Mohammad-Hanifeh, G., “Effect of Damping on Nonlinear Forced Vibration Response of Graphene-based Nanocomposites,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 4, No. 2, pp. 141-150, 2017.
[10]Tserpes, K. and Papanikos, P., “Finite Element Modeling of Single-Walled Carbon Nanotubes,” Composites Part B: Engineering, Vol. 36, No. 5, pp. 468-477, 2005.
[11]Duan, K., Li, L., Hu, Y. and Wang, X., “Damping Characteristic of Ni-Coated Carbon Nanotube/Copper Composite,” Materials & Design, Vol. 133, pp. 455-463, 2017.
[12]Kittel, C., “Introduction to Solid State Physics,” John Wiley & Sons Inc., New York, 2005.
[13]Cai, J., Wang, C., Yu, T. and Yu, S., “Wall Thickness of Single-   Walled Carbon Nanotubes and Its Young's Modulus,” Physica Scripta, Vol. 79, No. 2, pp. 025702, 2009.
[14]Adams, J., Foiles, S. and Wolfer, W., “Self-Diffusion and Impurity Diffusion of Fee Metals Using the Five-Frequency Model and the Embedded Atom Method,” Journal of Materials Research, Vol. 4, No. 1, pp. 102-112, 1989.
[15]Stuart, S. J., Tutein, A. B. and  Harrison, J. A., “A Reactive Potential for Hydrocarbons with Intermolecular Interactions,” The Journal of chemical physics, Vol. 112, No. 14, pp. 6472-6486, 2000.
[16]Tersoff, J., “Modelling Solid-State Chemistry: Interatomic Potentials for Multicomponent Systems,” Phys. Rev. B, Vol. 39, No. 8, pp. 5566-5568, 1989.
[17]Xu, Z. and Buehler, M. J., “Nanoengineering Heat Transfer Performance at Carbon Nanotube Interfaces,” ACSNano, Vol. 3, No. 9, pp. 2767-2775, 2009.
[18]Freund, L. B. and Suresh, S., “Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution,” Cambridge University Press, 2004.
[19]Hagedorn, P. and DasGupta, A., “Vibrations and Waves in Continuous Mechanical Systems,” Wiley Online Library, 2007.
[20]Zhou, X.W., Johnson, R.A., and Wadley, H.N.G., “Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers,” Phys. Rev. B, Vol. 69, p. 144113, 2004.
[21]Vallabhaneni, A. K., Rhoads, J. F., Murthy, J. Y. and  Ruan, X., “Observation of Nonclassical Scaling Laws in the Quality Factors of Cantilevered Carbon Nanotube Resonators,” Journal of Applied Physics, Vol. 110, No. 3, pp. 034312, 2011.