Mô phỏng đặc trưng cơ học vật liệu nanocomposite nền polymer cốt carbon nanotubes

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -NGUYỄN DANH TRƯỜNG MÔ PHỎNG ĐẶC TRƯNG CƠ HỌC VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE NỀN POLYMER CỐT CARBON NANOTUBES LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành Cơ học kỹ thuật NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:TS LÊ MINH QUÝ Hà Nội – Năm 2011 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Mô đặc trưng học vật liệu nanocomposite polymer cốt carbon nanotubes Tác giả luận văn: Nguyễn Danh Trường Người hướng dẫn: TS Lê Minh Quý Khóa: 2009 a) Lý chọn đề tài Những thập niên gần công nghệ na nơ nhắc tới nhiều tồn giới Cho tới nay, có nhiều nghiên cứu phát hiện, tìm hiểu ứng dụng ống carbon nano (CNT) Những nghiên cứu ban đầu cho thấy ống carbon nano thực có giá trị vơ to lớn Với mong muốn tìm hiều ống carbon nano, ứng dụng làm chất gia cường cho vật liệu composite, tác giả chọn đề tài “ Mô đặc trưng học vật liệu nanocomposite polymer cốt carbon nanotubes” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sỹ b) Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Trong luận văn này, mục đích tác giả tìm hiểu ống carbon nano, tính, lý tính… khả ứng dụng Trong đó, tác giả chủ yếu nghiên cứu ứng dụng ống carbon nano làm sợi gia cường cho vật liệu composite polymer Qua tìm hiểu kỹ khả gia cường, khả tăng mô đun đàn hồi ống carbon nano vật liệu Do điều kiện thực nghiệm không cho phép nên tác giả dừng lại việc xây dựng mơ hình vật liệu sau tính tốn mơ phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn c) Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả Tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tìm đặc trưng học ( bao gồm mô đun đàn hồi Ez , mô đun trượt Gxy , hệ số poisson vzx ) vật liệu nanocomposite CNT thơng qua thí nghiệm kéo xoắn túy Trong liên kết CNT vật liệu xét hai trường hợp: (1) giả thiết liên kết lý tưởng; (2) dùng phần tử liên kết (cohesive zone) Sau so sánh kết thu với công thức luật hỗn hợp cơng thức mơ hình Halpin - Tsai -1- d) Phương pháp nghiên cứu Để mô đặc trưng học vật liệu nanocomposites, tác giả xây dựng phần tử đại diện thay với tính chất, tỷ lệ nền/cốt vật liệu ban đầu Tiếp theo tác giả tiến hành mơ thí nghiệm kéo, xoắn phần tử đại diện để tìm ứng xử học Phương pháp phần tử hữu hạn tác giả sử dụng để mô trợ giúp phần mềm thương mại Marc/MSC e) Kết luận Ở mơ hình với giả thiết liên kết cốt CNT lý tưởng, mô đun đàn hồi Ez nanocomposite tăng mạnh Chỉ với % CNT cho ta vật liệu tăng gấp lần (từ GPa lên sấp xỉ 15 GPa) % CNT cho ta mô đun đàn hồi vật liệu tăng lên 10 lần (từ 5GPa lên 53,14 GPa) Ở mô hình liên kết danh giới coi lý tưởng cho hệ số pốt xơng vzx tương tự hệ số pốt xơng hai vật liệu thành phần 0,3 Những kết thu mơ hình liên kết cốt CNT lý tưởng hoàn tồn phù hợp với cơng thức quy luật hỗn Trong mơ hình sử dụng phần tử liên kết (cohesive zone), ta tính tốn thu kết CNT làm tăng mô đun đàn hồi vật liệu cách đáng kể khơng tăng nhiều mơ hình liên kết cốt CNT lý tưởng Với % CNT cho ta vật liệu tăng gấp lần (từ 5GPa lên 10.53 GPa) Tăng tỷ lệ lên % CNT cho ta vật liệu tăng gấp lần (từ 5GPa lên sấp xỉ 30 GPa) Trong mơ hình hệ số pốt xơng vzx dao động từ 0,25 tới 0,285 Khi tăng tỷ lệ phần trăm CNT lên hệ số pốt xơng vzx nanocomposte tạo thành giảm có nghĩa biến dạng theo phương ngang trục nanocomposite giảm nanocomposite bị kéo nén theo phương hướng trục Những kết hoàn toàn hợp lý so sánh với công thức luật hỗn hợp công thức mơ hình Halpin – Tsai Kết luận cho thấy CNT chất gia cường tốt cho vật liệu composite, mở hướng nghiên cứu phát triển vật liệu nanocomposite -2- NGUYỄN DANH TRƢỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN DANH TRƢỜNG CƠ HỌC KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐẶC TRƢNG CƠ HỌC VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE NỀN POLYMER CỐT CARBON NANOTUBES LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ HỌC KỸ THUẬT KHOÁ 2009 Hà Nội – Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Danh Trƣờng MÔ PHỎNG ĐẶC TRƢNG CƠ HỌC VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE NỀN POLYMER CỐT CARBON NANOTUBES Chuyên ngành : Cơ học kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ HỌC KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Lê Minh Quý Hà Nội – Năm 2011 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt iv Danh mục bảng v Danh mục hình vẽ, đồ thị vi LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CARBON NANOTUBES VÀ NANOCOMPOSITE4 1.1 Carbon nanotubes 1.1.1 Lịch sử phát triển carbon nanotubes .4 1.1.2 Cấu trúc phân loại carbon nanotubes .5 1.1.3 Đặc tính carbon nanotubes .9 1.1.4 Sản xuất carbon nanotubes 11 1.1.5 Ứng dụng carbon nanotubes 15 1.2 Vật liệu nanocomposite 15 1.2.1 Giới thiệu chung 15 1.2.2 Vật liệu nanocomposite 18 1.2.3 Nanocomposite polymer cốt carbon nanotubes 19 1.3 Các mơ hình nghiên cứu vật liệu composite carbon nanotubes 20 1.3.1 Mơ hình nguyên tử (Atomistic - based model) 20 1.3.2 Mơ hình học mơi trường liên tục (Continuum mechanics -based model) 20 1.3.3 Mơ hình đa thang (multi - scales model) 21 1.4 Mơ hình dùng luận văn 21 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 23 2.1 Mô hình Halpin–Tsai 23 2.2 Cơ sở lý thuyết thí nghiệm .24 2.2.1 Thí nghiệm kéo, nén tâm 24 i 2.2.2 Thí nghiệm xoắn túy tiết diện tròn 25 2.3 Giới thiệu phƣơng pháp phần tử hữu hạn .27 2.3.1 Giới thiệu chung 27 2.3.2 Sơ đồ tính toán phương pháp phần tử hữu hạn 28 2.4 Giới thiệu phần mềm Marc .30 2.4.1 Giới thiệu chung 30 2.4.2 Các lệnh Marc 31 CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH VỚI LIÊN KẾT LÝ TƢỞNG GIỮA NỀN VÀ CỐT .37 3.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 37 3.1.1 Xây dựng mơ hình 37 3.1.2 Thiết lập điều kiện biên 38 3.2 Thông số kết mô 39 3.2.1 Thông số vật liệu 39 3.2.2 Kết mô phần mềm MARC 40 3.3 Kết tính toán 41 CHƢƠNG 4: MƠ HÌNH VỚI LIÊN KẾT GIỮA NỀN VÀ CỐT SỬ DỤNG PHẦN TỬ LIÊN KẾT 45 4.1 Mơ hình kiểu phần tử liên kết phần mềm Marc (Cohesive zone) .45 4.2 Thiết lập mơ hình mơ 49 4.3 Kết tính tốn 50 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 62 ii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan nội dung trình bày luận văn cơng trình nghiên cứu khoa học tơi dƣới hƣớng dẫn TS Lê Minh Quý Số liệu, kết tính tính tốn hồn tồn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả Nguyễn Danh Trƣờng iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt CNT: Carbon NanoTubes CVD : Chemical Vapour Deposition EC : Mô đun đàn hồi vật liệu Carbon nanotube Em : Mô đun đàn hồi vật liệu (polymer) Ez : Mô đun đàn hồi vật liệu composite MWCNT: Mutil-Walled Carbon NanoTubes RVE: Representative Volume Element SWCNT: Single-Walled Carbon NanoTubes vm: Hệ số pốt xơng vật liệu (polymer) vc: Hệ số pốt xơng vật liệu Carbon nanotube VCNT : Tỷ lệ phần trăm thể tích Carbon nanotube composite iv Danh mục bảng Trang Bảng 1: Các thông số Carbon nanotubes Bảng 2: Thơng số hình học số SWCNT Bảng 3: Cơ tính khối lƣợng riêng số loại sợi [29] 10 Bảng : Cơ tính khối lƣợng riêng số loại polymer 18 Bảng 5: Tổng hợp kết tính tốn mơ hình liên kết lý tƣởng 42 Bảng 6: Tổng hợp kết tính tốn mơ hình liên kết sử dụng cohesive 51 v Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn khác G xy hai trường hợp liên kết lý tưởng không lý tưởng (ứng với Em =5 GPa) Với nhận xét so sánh trên, ta khẳng định tính đắn kết tính tốn thu đƣợc mơ hình liên kết lý tƣởng mơ hình liên kết không lý tƣởng 55 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong luận văn này, đặc trƣng học vật liệu nanocomposite đƣợc tính tốn thơng qua mơ hình phân tử đại diện (RVE) sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) lý thuyết đàn hồi Phần tử đại diện đƣợc xây dựng ống CNT đƣợc bao quanh polymer với hai giả thiết đƣợc đƣa là: (1) liên kết CNT lý tƣởng, (2) liên kết cốt không lý tƣởng mà sử dụng phần tử liên kết cohesive Sau tác giả sử dụng phần mềm MARC tiến hành mơ thí nghiệm kéo (nén) xoắn để tính tốn tìm mơ đun đàn hồi, mô đun đàn hồi trƣợt hệ số pốt xơng vật liệu nanocomposite Ở mơ hình với giả thiết liên kết cốt CNT lý tƣởng, mô đun đàn hồi Ez nanocomposite tăng mạnh Chỉ với % CNT cho ta vật liệu tăng gấp lần (từ GPa lên sấp xỉ 15 GPa) % CNT cho ta mô đun đàn hồi vật liệu tăng lên 10 lần (từ 5GPa lên 53,14 GPa) Ở mơ hình liên kết danh giới coi lý tƣởng cho hệ số pốt xơng vzx tƣơng tự hệ số pốt xơng hai vật liệu thành phần 0,3 Những kết thu đƣợc mơ hình liên kết cốt CNT lý tƣởng hoàn toàn phù hợp với công thức quy luật hỗn hợp – phƣơng pháp dự đốn mơ đun đàn hồi theo phƣơng hƣớng trục Trong mơ hình sử dụng phần tử liên kết (cohesive zone), ta tính tốn thu đƣợc kết CNT làm tăng mô đun đàn hồi vật liệu cách đáng kể nhƣng không tăng nhiều nhƣ mơ hình liên kết cốt CNT lý tƣởng Với % CNT cho ta vật liệu tăng gấp lần (từ 5GPa lên 10.53 GPa) Tăng tỷ lệ lên % CNT cho ta vật liệu tăng gấp lần (từ 5GPa lên sấp xỉ 30 GPa) Trong mơ hình hệ số pốt xơng vzx dao động từ 0,25 tới 0,285 Khi tăng tỷ lệ phần trăm CNT lên hệ số pốt xơng vzx nanocomposte tạo thành giảm có nghĩa biến dạng theo phƣơng ngang trục nanocomposite giảm nanocomposite bị kéo nén theo phƣơng hƣớng trục 56 Những kết hoàn toàn hợp lý đƣợc so sánh với công thức luật hỗn hợp cơng thức mơ hình Halpin – Tsai Điều cho thấy CNT chất gia cƣờng tốt cho vật liệu composite, mở hƣớng nghiên cứu phát triển vật liệu nanocomposite Tuy vậy, kết phân tính phân tích ban đầu, có điều kiện thời gian kiến thức ta nghiên cứu sâu thêm nhƣ: - Xét mơ hình phần tử đại diện khác nhau, sử dụng phƣơng pháp phân tích khác nhau, tải trọng khác Trong luận văn tác giả dùng phần tử đại diện hình trụ - Nghiên cứu sâu lớp liên kết cốt CNT vật liệu nền, ảnh hƣởng lớp liên kết tới đặc trƣng học vật liệu nanocomposite tạo thành - Nghiên cứu khác việc dùng CNT đơn (SWCNT) CNT nhiều lớp (MWCNT) làm chất gia cƣờng - Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng mơ hình kết đặc trƣng học nanocomposite 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chunyu Li, Tsu-Wei Chou (2003), “A structural mechanics approach for the analysis of carbon nanotubes”, International Journal of Solids and Structures, 40: 2487-2499 Chunyu Li, Tsu-Wei Chou (2003), “Elastic moduli of multi-walled carbon nanotubes and effect of Van der Waals forces”, Composites Science and Technology,63: 1517 - 1524 Frankland S., Harik V., Odegard G., Brenner D., Gates T (2002), “The stress– strain behavior of polymer–nanotube composites from molecular dynamics simulations”, Technical report, NASA ICASE Gary D Seidel, Dimitris C Lagoudas (2006), “Micromechanical analysis of the effective elastic properties of carbon nanotube reinforced composites”, Mechanics of Materials 38 (2006) 884–907 Grobert N (2007), Material Today, 10, 28 Guo T., Nicolaev P., Colbert D.T., Smalley L.E., Chem Phys Lett., 243 (1995) 49 Hong, Seunghun, Myung S (2007), "Nanotube Electronics: A flexible approach to mobility", Nature Nanotechnology (4):207–208, Bibcode 2007NatNa 207H doi:10.1038/nnano.2007.89 PMID 18654263 http://carbonnanovn.com/ Iijima S (1991), “Helical microtubules of graphitic carbon” , Natrure, 354, 56 10 Jiang L.Y (2010), “A Cohesive Law for Carbon Nanotube_Polymer Interface Accounting for Chemical Covalent Bonds”, Mathematics and Machanics os Solids, DOI: 10.1177/1081286510374548 11 Kin-Tak Lau, David Hui (2002), “The revolutionary creation of new advanced materials – carbon nanotubes composites”, Composites Part B Eng,33: 263 277 58 12 Liu Y.J., Chen X.L (2003), “Evaluations of the effective material properties of carbon nanotube-based composites using a nanoscale representative volume element”, Mechanics of Materials 35 (2003) 69–81 13 Lu X., Chen Z (2005), "Curved Pi-Conjugation, Aromaticity, and the Related Chemistry of Small Fullerenes (