تأثیر عیب استون- ولز بر استحکام نهایی نانولوله‏های کربنی

نویسندگان

گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند

چکیده

در این پژوهش، یک مدل سه­بعدی اجزاء محدود برای نانولوله­های کربنی تک­دیواره­ آرمچیر، زیگزاگ و کایرال پیشنهاد شده است. برای ایجاد مدل اجزاء محدود، گره‏ها در محل اتم‏ها جایگزین شده، پیوندها به‌عنوان جزء تیر الاستیک سه‏بعدی مدل‌سازی شده است. با استفاده از این مدل تأثیر کایرالیتی و عیب استون- ولز بر استحکام نهایی (تنش نهایی و کرنش نهایی) نانولوله­ کربنی تک‏دیواره بررسی شده است. نتایج نشان می­دهد که این عیب استحکام نهایی نانولوله آرمچیر را به­شدت کاهش می­دهد، اما تأثیر بسیار کمی بر استحکام نهایی نانولوله زیگزاگ می‌گذارد. بر اساس نتایج، مسیر رشد ترک در نانولوله­های زیگزاگ و آرمچیر به‌ترتیب دارای زاویه 90 و 45 درجه نسبت به محور طولی نانولوله است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Stone-Wales Defect on Ultimate Strength of Carbon Nanotubes

نویسندگان [English]

  • D. Yazdani
  • S.Y. Ahmadi Brooghani
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
چکیده [English]

In this study, a three-dimensional finite element (FE) model for armchair, zigzag and chiral single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) is proposed. To create the FE models, nodes are placed at the locations of carbon atoms and the bonds between them are modeled using three-dimensional elastic beam elements. The FE model is used to investigate the influence of chirality and Stone-Wales defects on the ultimate strength (Ultimate stress and ultimate strain) of SWCNTs. Results indicate that Stone-Wales defect significantly reduces the ultimate stress and strain of armchair CNTs. But this defect has a negligible effect on the ultimate strength of zigzag nanotubes. Based on the results, the crack growth path in zigzag and armchair nanotubes have 90 and 45 degree angle to the long axis of the nanotube, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • carbon nanotubes
  • finite element method
  • Stone-Wales defect
  • Ultimate strength
1. Yu, M.F., Lourie, O., Dyer, M.J., Moloni, K., Kelly, T.F. and Ruoff, R.S., “Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes under Tensile Load”, Science, Vol. 287, pp. 637-640, 2000.
2. Belytschko, T. and Xiao, S.P., “Coupling Methods for Continuum Model with Molecular Model”, Multi Scale Computational Engineering, Vol. 1, pp. 115–126, 2003.
3. Zhang, P., Huang, Y., Geubelle, P.H., Klein, P. and Hwang, K.C., “The Elastic Modulus of Single Wall Carbon Nanotubes: Continuum Analysis Incorporating Interatomic Potentials”, Solid Structure, Vol. 39, pp. 3893-3906, 2002.
4. Li, C. and Chou, T.W., “A Structural Mechanics Approach for the Analysis of Carbon Nanotubes”, International Journal of Solids and Structures,
Vol. 40, pp. 2487–2499, 2003.
5. Xiao, J.R., Staniszewski, J. and Gillespie Jr, J.W., “Fracture and Progressive Failure of Defective Graphene Sheets and Carbon Nanotubes”, Composite Structures, Vol. 88, pp. 602–609, 2009.
6. Rossi, M. and Meo, M., “Tensile Failure Prediction of Single Wall Carbon Nanotube”, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 73, pp. 2589–2599, 2006.
7. Tserpes, K.I., Papanikos, P. and Tsirkas, S.A., “A Progressive Fracture Model for Carbon Nanotubes”, Composites: Part B, Vol. 37, pp. 662–669, 2006.
8. Zakeri, M. and Shayanmehr, M., “On the Mechanical Properties of Chiral Carbon Nanotubes”, Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials, Vol. 46, No. 1, pp. 1-9, 2013.
9. Muhammad, I.D., Awang, M., Mamat, O. and Ku Shaari, K.Z., “Estimating Young’s Modulus
of Single-Walled Zirconia Nanotubes using Nonlinear Finite Element Modeling”, Journal of Nanomaterials, Vol. 2015, pp. 1-9, 2015.
10. Lee, J.H. and Lee, B.S., “Modal Analysis of Carbon Nanotubes and Nanocones using FEM”, Journal of Computational Materials Science, Vol. 51, pp. 30-42, 2012.
11. Odegard, G.M., Gates, T.S., Nicholson, L.M. and Wise, K.E., “Equivalent Continuum Modeling of Nano-Structured Materials”, Composites Science and Technology, Vol. 62, pp. 1869–80, 2002.
12. Belytschko, T., Xiao, S.P., Schatz, G.C. and Ruoff, R.S., “Atomistic Simulations of Nanotube Fracture”, Physical Review B, Vol. 65, pp. 1-12, 2002.
13. Rossi, M. and Meo, M., “On the Estimation of Mechanical Properties of Single walled Carbon Nanotubes by Using a Molecular-Mechanics Based FE Approach”, Composites Science and Technology,
Vol. 69, pp. 1394–1398, 2009.
14. Ogata, S. and Shibutani, Y., “Ideal Tensile Strength and Band Gap of Single-Walled Carbon Nanotubes”, Physical Review B, Vol. 68, pp. 1-4, 2003.
15. Jeng, Y.R., Tsai, P.C. and Fang, T.H., “Effects of Temperature and Vacancy Defects on Tensile Deformation of Single-Walled Carbon Nanotubes”, Journal of Physics and Chemistry of Solids, Vol. 65, pp. 1849–1856, 2004.
16. Khare, R., Mielke, S.L., Paci, J.T., Zhang, S., Ballarini, R., Schatz, G.C. and Belytschko, T., “Coupled Quantum Mechanical/Molecular Mechanical Modeling of the Fracture of Defective Carbon Nanotubes and Graphene Sheets”, Physical Review B, Vol. 75, 075412, 2007.

تحت نظارت وف ایرانی