مطالعه اثر انباشتگی و پراکندگی تقویت‌کننده روی خواص ویسکوالاستیک نانوکامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با نانولوله کربنی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، دانشکده مهندسى مکانیک، دانشگاه صنعتى خواجه نصیرالدین طوسى، تهران، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

3 دانشجوى دکترا، دانشکده مهندسى مکانیک، دانشگاه صنعتى خواجه نصیرالدین طوسى، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، اثر پدیده انباشتگی و پراکندگی تقویت‌کننده روی خواص ویسکوالاستیک نانوکامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با نانولوله کربنی بصورت پارامتریک مورد مطالعه قرار می‌گیرد. بدین منظور خواص کامپوزیت با روش میکرومکانیکی موری-تاناکا با فرض آرایش نانولوله بصورت کاملاً تصادفی تعیین می‌شود. سپس با فرض تجمع نانولوله‌ها داخل نواحی کروی شکل، دو پارامتر جهت مدل‌سازی انباشتگی و پراکندگی نانولوله تعریف و در روابط میکرومکانیک اعمال می‌گردد و خواص داخل و خارج نواحی کروی و خواص کلی نانوکامپوزیت بدست می‌آیند. خواص پلیمر زمینه بصورت ویسکوالاستیک فرض شده که جهت شبیه‌سازی آن از مدل جامد خطی استاندارد که دارای 3 پارامتر ساختاری می‌باشد استفاده می‌شود. با توجه به وابسته به زمان بودن معادلات ساختاری ماده زمینه، استفاده مستقیم از روش‌های میکرومکانیک میسر نیست. لذا با استفاده از تبدیل لاپلاس، شکل جبری این معادلات در روابط روش موری-تاناکا وارد می‌گردند. جهت صحت سنجی مدل، نتایج حاصل از مدل‌سازی با داده‌های تجربی موجود برای نانوکامپوزیت پلیمری تقویت شده با نانولوله کربنی مقایسه می‌شوند. بررسی پارامترهای انباشتگی روی خواص نشان می‌دهد که هرچه نانولوله‌ها کمتر انباشته باشند، خواص ویسکوالاستیک بهتری حاصل می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of agglomeration and dispersion of reinforcement on the viscoelastic properties of CNT reinforced polymeric composites

نویسندگان [English]

  • Rahmatollah Ghajar 1
  • Mahmood M Shokrieh 2
  • Ali R Shajari 3
1 Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology.
2 Faculty of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology
3 Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi Univeristy of Technology
چکیده [English]

In this research, the effect of agglomeration and dispersion of the Carbon nanotubes (CNTs) on the viscoelastic properties of CNT-reinforced polymeric nanocomposites is investigated, parametrically. The effective properties of the nanocomposite are obtained by Mori-Tanaka micromechanical approach, assuming completely random oriented CNTs. Considering spherical shaped inclusions for CNTs agglomerated region, two parameters are presented and applied to Mori-Tanaka micromechanical method to model the agglomeration and dispersion of the CNTs. The polymeric matrix is assumed to be viscoelastic. The viscoelastic properties of polymer matrix are simulated by standard linear solid model with three structural parameters. Due to time-dependency of constitutive equation of the matrix, direct using of the micromechanical method is not possible. Hence, the constitutive equations of the matrix are transferred to the Laplace domain and algebraic form the mentioned equations are inserted to the Mori-Tanaka relations. To verify the model, predicted results of that are compared with available experimental data for CNT reinforced polymeric nanocomposites. Investigation of agglomeration parameters shows that the overall properties of the composite can be improved by decreasing agglomeration of the CNTs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polymeric Nanocomposite
  • Carbon Nanotube
  • Viscoelasticity
  • Agglomeration and Dispersion

مراجع

[1] Wernik, J.M.; Cornwell-Mott, B.J.; Meguid, S.A.,2012. “Determination of the interfacial properties of carbon nanotube reinforced polymer composites using atomistic-based continuum model”, International Journal of Solids and Structures, 49, pp. 1852- 1863.
[2] Ghorbanpour Arani, A.; Maghamikia, Sh.;Mohammadimehr, M.; Arefmanesh, A., 2013.“Buckling analysis of laminated composite rectangular plates reinforced by SWCNTs using analytical and finite element methods”, Journal of mechanical science and technology, 25, pp. 809- 820.
[3] Pan, Y.; Weng G.J.; Meguid, S.A.; Bao, W.S.; Zhu,Z.H.; Hamouda, A.M.S., 2013. “Interface effects on the viscoelastic characteristics of carbon nanotube polymer matrix composites” Mechanics of Materials,58, pp. 1- 11.
[4] Wang, Y.M.; Weng, G.J., 1992. “The Influence of Inclusion Shape on the Overall Viscoelastic Behavior of Composites”, Journal of Applied Mechanics, 59, pp.510- 518.
[5] Lee, J.; Weng, G.J., 1994. “Strain-Rate Sensitivity,Relaxation Behavior, and Complex Moduli of a Class of Isotropic Viscoelastic Composites”, Journal of Engineering Materials and Technology, 116, pp. 495-504.
[6] Lee, J.; Weng, G.J., 1996. “Effect of a viscoelastic interphase on the creep and stress/strain behavior of fiber-reinforced polymer matrix composites”,Composites Part B, 27B, pp. 589- 598.
[7] Odegard G.M.; Gates T., 2006. “Modeling and Testing of the Viscoelastic Properties of a Graphite Nanoplatelet/Epoxy Composite”, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 17, pp. 239- 246.
[8] Aldraihem, O.J., 2011. “Micromechanics modeling of viscoelastic properties of hybrid composites with shunted and arbitrarily oriented piezoelectric inclusions”, Mechanics of Materials, 43, pp. 740- 753.
[9] Diani, J.; Gilormini, P.; Merckel, Y.; Vion-Loisel,F., 2013. “Micromechanical modeling of the linear viscoelasticity of carbon-black filled styrene butadiene rubbers: The role of the filler–rubber interphase”,Mechanics of Materials, 59, pp. 65- 72.
[10] Haj-Ali, R.M.; Muliana, A.H., 2003. “A micromechanical constitutive framework for the nonlinear viscoelastic behavior of pultruded composite materials”, International Journal of Solids and Structures, 40, pp. 1037- 1057.
[11] Muliana, A.H.; Haj-Ali, R.M., 2004. “Nested nonlinear viscoelastic and micromechanical models for the analysis of pultruded composite materials and structures”, Mechanics of Materials, 36, pp. 1087-1110.
[12] Li, K.; Gao, X.L.; Roy, A.K., 2006. “Micromechanical Modeling of Viscoelastic Properties of Carbon Nanotube-Reinforced Polymer Composites”,Mechanics of Advanced Materials and Structures, 13,pp. 317- 328.
[13] Pan, Y.; Weng, G.J.; Meguid, S.A.; Bao, W.S.; Zhu,Z.H.; Hamouda, A.M.S., 2013. “Interface effects on the viscoelastic characteristics of carbon nanotube polymer matrix composites”, Mechanics of aterials,58, pp. 1- 11.
[14] Shi, D.L.; Feng, X.Q.; Huang, Y.Y.; Hwang, K.C.;Gao, H., 2004. “The Effect of Nanotube Waviness and Agglomeration on the Elastic Property of Carbon Nanotube-Reinforced Composites”, Journal of Engineering Materials and Technology, 126, pp. 250-257.
[15] Lakes, R., 2009. “Viscoelastic Materials”, Cambridge University Press, New York. [16] Jia, Y.; Peng, K.; Gong, X.; Zhang, Z., 2011. “Creep and recovery of polypropylene/carbon nanotube composites”, International Journal of Plasticity, 27,pp. 1239- 1251.
[17] Nemat-Nasser, S., 1993. “Micromechanics: Overall Properties of Heterogeneous Materials”, Elsevier, NewYork.
[18] Pegel, S.; Potschke, P.; Petzold, G.; Alig, I.; Dudkin,S.M.,; Lellinger, D., 2008. “Dispersion, agglomeration,and network formation of multiwalled carbon nanotubes in polycarbonate melts”, Polymer, 49, pp. 974- 984.
[19] Yu, M.F.; Lourie, O.; Dyer, M.J.; Moloni, K.; Kelly,T.F.; Ruoff, R.S., 2000. “Strength and Breaking Mechanism of Multi-walled Carbon Nanotubes Under Tensile Load”, Science, 287, pp. 637- 640.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 48، شماره 4
دی 1395
صفحه 363-370

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار