سنتز نانوذره TiO2 و عامل دار کردن آن توسط فورمیک اسید و نانولوله های کربنی و بررسی خاصیت جذب آنها در فیبرهای میکرواستخراج

در تحقیق انجام شده، پس از سنتز نانو ذره تیتانیوم دی اکسید (TiO2) با استفاده از تکنیک سل هیدروترمال، توسط کربن نانو تیوب و - فورمیک اسید عاملدار شده و خاصیت جذب این نانو ذرات در فیبرهای میکرو استخراج توسط FT-IR ، XRD ، TGA و BET مورد
بررسی قرار گرفته است. یکی از مهمترین خواص کاتالیزورهای ساخته شده با نانوذرات، افزایش سطح در این کاتالیزورهاست. سطح ذرات با
کاهش اندازه آنها افزایش مییابد و این در حالیست که وزن ثابت میماند.
با استفاده از نتایج بدست آمده می توان بیان کرد که نانوذرات تیتانیوم دی اکسید عامل دار شده توسط نانولوله های کربنی دارای حجم
حفرات داخلی بزرگتر ) 1 -g 3 cm 1733.1 ( نسبت به سایر نانوذرات موجود در این تحقیق می باشد که هر چه مقدار BET افزایش پیدا کند
نسبت خلل و فرج سطح نانوذرات افزایش می یابد که باعث افزایش خاصیت جذب و خاصیت کاتالیزوری آنها می شود. بخش قابل توجهی از
واکنشهای شیمیایی در سطح کاتالیزور اتفاق میافتند و سطح بزرگتر، موجب افزایش فعالیت کاتالیزور میشود. از آنجاییکه از این نانو ذرات
می توان به عنوان پایه فاز ساکن در فیبرهای میکرو استخراج استفاده کرد، با اندازه گیری نسبت خلل و فرج سطح این نانو ذرات می توان
خاصیت کاتالیزوری آنها را در فیبرهای میکرو استخراج مورد بررسی قرار داد.

مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

عنوان پایان نامه: مدلسازی و آنالیز خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

فرمت فایل: word

تعداد صفحات: 228

شرح مختصر:

از آنجائیکه شرکت های بزرگ در رشته نانو فناوری مشغول فعالیت هستند و رقابت بر سر عرصه محصولات جدید شدید است و در بازار رقابت، قیمت تمام شده محصول، یک عامل عمده در موفقیت آن به شمار می رود، لذا ارائه یک مدل مناسب که رفتار نانولوله های کربن را با دقت قابل قبولی نشان دهد و همچنین استفاده از آن توجیه اقتصادی داشته باشد نیز یک عامل بسیار مهم است. به طور کلی دو دیدگاه برای بررسی رفتار نانولوله های کربنی وجود دارد، دیدگاه دینامیک مولکولی و محیط پیوسته. دینامیک مولکولی با وجود دقت بالا، هزینه های بالای محاسباتی داشته و محدود به مدل های کوچک می باشد. لذا مدل های دیگری که حجم محاسباتی کمتر و توانایی شبیه سازی سیستمهای بزرگتر را با دقت مناسب داشته باشند بیشتر توسعه یافته اند.

پیش از این بر اساس تحلیل های دینامیک مولکولی و اندرکنش های بین اتم ها، مدلهای محیط پیوسته، نظیر مدلهای خرپایی، مدلهای فنری، قاب فضایی، بمنظور مدلسازی نانولوله ها، معرفی شده اند. این مدلها، بدلیل فرضیاتی که برای ساده سازی در استفاده از آنها لحاظ شده اند، قادر نیستند رفتار شبکه کربنی در نانولوله های کربنی را بطور کامل پوشش دهند.

در این پایان نامه از ثوابت میدان نیرویی بین اتمها و انرژی کرنشی و پتانسیل های موجود برای شبیه سازی رفتار نیرو های بین اتمی استفاده شده و به بررسی و آنالیز رفتار نانولوله های کربنی از چند دیدگاه مختلف می پردازیم، و مدل های تدوین شده را به شرح زیر ارائه می نمائیم:

1. مدل انرژی- معادل
2. مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS
3. مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB

مدل های تدوین شده به منظور بررسی خصوصیات مکانیکی نانولوله کربنی تک دیواره بکار گرفته شده است. در روش انرژی- معادل، انرژی پتانسیل کل مجموعه و همچنین انرژی کرنشی نانو لوله کربنی تک دیواره بکار گرفته می شود. خصوصیات صفحه ای الاستیک برای نانو لوله های کربنی تک دیواره برای هر دو حالت صندلی راحتی و زیگزاگ در جهت های محوری و محیطی بدست آمده است.

در مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS ، به منظور انجام محاسبات عددی، نانو لوله کربنی با یک مدل ساختاری معادل جایگزین می شود.

در مدل اجزاء محدود سوم، کد عددی توسط نرم افزار MATLAB تدوین شده که از روش اجزاء محدود برای محاسبه ماتریس سختی برای یک حلقه شش ضلعی کربن، و تعمیم و روی هم گذاری آن برای محاسبه ماتریس سختی کل صفحه گرافیتی، استفاده شده است.

اثرات قطر و ضخامت دیواره بر روی رفتار مکانیکی هر دو نوع نانو لوله های کربنی تک دیواره و صفحه گرافیتی تک لایه مورد بررسی قرار گرفته است. مشاهده می شود که مدول الاستیک برای هر دو نوع نانو لوله های کربنی تک دیواره با افزایش قطر لوله بطور یکنواخت افزایش و با افزایش ضخامت نانولوله، کاهش می یابد. اما نسبت پواسون با افزایش قطر ،کاهش می یابد. همچنین منحنی تنش-کرنش برای نانولوله تک دیواره صندلی راحتی پیش بینی و تغییرات رفتار آنها مقایسه شده است. نشان داده شده که خصوصیات صفحه ای در جهت محیطی و محوریبرای هر دو نوع نانو لوله کربنی و همچنین اثرات قطر و ضخامت دیواره نانو لوله کربنی بر روی آنها یکسان می باشد. نتایج به دست آمده در مدل های مختلف یکدیگر را تایید می کنند، و نشان می دهند که هر چه قطر نانو لوله افزایش یابد، خواص مکانیکی نانولوله های کربنی به سمت خواص ورقه گرافیتی میل می کند.

نتایج این تحقیق تطابق خوبی را با نتایج گزارش شده نشان می دهد.

 واژه های کلیدی: نانولوله های کربنی ، خواص مکانیکی، محیط پیوسته ، تعادل- انرژی ، اجزاء محدود ،ورق گرافیتی تک لایه، ماتریس سختی.

فهرست مطالب

فهرست علائم.. ر

فهرست جداول.. ز

فهرست اشکال.. س

چکیده.. 1

فصل اول..

مقدمه نانو. 3

1-1 مقدمه.. 4

1-1-1 فناوری نانو.. 4

1-2 معرفی نانولوله‌های کربنی.. 5

1-2-1 ساختار نانو لوله‌های کربنی.. 5

1-2-2 کشف نانولوله.. 7

1-3 تاریخچه.. 10

فصل دوم.

خواص و کاربردهای نانو لوله های کربنی.. 14

2-1 مقدمه.. 15

2-2 انواع نانولوله‌های کربنی.. 16

2-2-1 نانولوله‌ی کربنی تک دیواره(SWCNT). 16

2-2-2 نانولوله‌ی کربنی چند دیواره(MWNT). 19

2-3 مشخصات ساختاری نانو لوله های کربنی.. 21

2-3-1 ساختار یک نانو لوله تک دیواره.. 21

2-3-2 طول پیوند و قطر نانو لوله کربنی تک دیواره.. 24

2-4 خواص نانو لوله های کربنی.. 25

2-4-1 خواص مکانیکی و رفتار نانو لوله های کربن.. 29

2-4-1-1 مدول الاستیسیته.. 29

2-4-1-2 تغییر شکل نانو لوله ها تحت فشار هیدرواستاتیک.. 33

2-4-1-3 تغییر شکل پلاستیک و تسلیم نانو لوله ها.. 36

2-5 کاربردهای نانو فناوری.. 39

2-5-1 کاربردهای نانولوله‌های کربنی.. 40

2-5-1-1 کاربرد در ساختار مواد.. 41

2-5-1-2 کاربردهای الکتریکی و مغناطیسی.. 43

2-5-1-3 کاربردهای شیمیایی.. 46

2-5-1-4 کاربردهای مکانیکی.. 47

فصل سوم.

روش های سنتز نانو لوله های کربنی55

3-1 فرایندهای تولید نانولوله های کربنی.. 56

3-1-1 تخلیه از قوس الکتریکی.. 56

3-1-2 تبخیر/ سایش لیزری.. 58

3-1-3 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت(CVD). 59

3-1-4 رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD ).. 61

3-1-5 رشد فاز بخار.. 62

3-1-6 الکترولیز.. 62

3-1-7 سنتز شعله.. 63

3-1-8 خالص سازی نانولوله های کربنی.. 63

3-2 تجهیزات.. 64

3-2-1 میکروسکوپ های الکترونی.. 66

3-2-2 میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM). 67

3-2-3 میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی(SEM). 68

3-2-4 میکروسکوپ های پروب پیمایشگر (SPM). 70

3-2-4-1 میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM). 70

3-2-4-2 میکروسکوپ های تونل زنی پیمایشگر (STM). 71

فصل چهارم.

شبیه سازی خواص و رفتار نانو لوله های کربنی بوسیله روش های پیوسته73

4-1 مقدمه.. 74

4-2 مواد در مقیاس نانو.. 75

4-2-1 مواد محاسباتی.. 75

4-2-2 مواد نانوساختار.. 76

4-3 مبانی تئوری تحلیل مواد در مقیاس نانو.. 77

4-3-1 چارچوب های تئوری در تحلیل مواد.. 77

4-3-1-1 چارچوب محیط پیوسته در تحلیل مواد.. 77

4-4 روشهای شبیه سازی.. 79

4-4-1 روش دینامیک مولکولی.. 79

4-4-2 روش مونت کارلو.. 80

4-4-3 روش محیط پیوسته.. 80

4-4-4 مکانیک میکرو.. 81

4-4-5 روش المان محدود (FEM). 81

4-4-6 محیط پیوسته مؤثر.. 81

4-5 روش های مدلسازی نانو لوله های کربنی.. 83

4-5-1 مدلهای مولکولی.. 83

4-5-1-1 مدل مکانیک مولکولی (دینامیک مولکولی).. 83

4-5-1-2 روش اب انیشو.. 86

4-5-1-3 روش تایت باندینگ.. 86

4-5-1-4 محدودیت های مدل های مولکولی.. 87

4-5-2 مدل محیط پیوسته در مدلسازی نانولوله ها.. 87

4-5-2-1مدل یاکوبسون.. 88

4-5-2-2مدل کوشی بورن.. 89

4-5-2-3مدل خرپایی.. 89

4-5-2-4مدل قاب فضایی.. 92

4-6 محدوده کاربرد مدل محیط پیوسته.. 95

4-6-1 کاربرد مدل پوسته پیوسته.. 97

4-6-2 اثرات سازه نانولوله بر روی تغییر شکل.. 97

4-6-3 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله.. 98

4-6-4 اثرات ضخامت تخمینی بر کمانش نانولوله.. 99

4-6-5 محدودیتهای مدل پوسته پیوسته.. 99

4-6-5-1محدودیت تعاریف در پوسته پیوسته.. 99

4-6-5-2محدودیت های تئوری کلاسیک محیط پیوسته.. 99

4-6-6 کاربرد مدل تیر پیوسته.. 100

فصل پنجم.

مدل های تدوین شده برای شبیه سازی رفتار نانو لوله های کربنی .. 102

5-1 مقدمه.. 103

5-2 نیرو در دینامیک مولکولی.. 104

5-2-1 نیروهای بین اتمی.. 104

5-2-1-1پتانسیلهای جفتی.. 105

5-2-1-2پتانسیلهای چندتایی.. 109

5-2-2 میدانهای خارجی نیرو.. 111

5-3بررسی مدل های محیط پیوسته گذشته.. 111

5-4 ارائه مدل های تدوین شده برای شبیه سازی نانولوله های کربنی.. 113

5-4-1 مدل انرژی- معادل.. 114

5-4-1-1 خصوصیات محوری نانولوله های کربنی تک دیواره.. 115

5-4-1-2 خصوصیات محیطی نانولوله های کربنی تک دیواره.. 124

5-4-2 مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS. 131

5-4-2-1 تکنیک عددی بر اساس المان محدود.. 131

5-4-2-2 ارائه 3 مدل تدوین شده اجزاء محدود توسط نرم افزار ANSYS 141

5-4-3 مدل اجزاء محدود بوسیله کد عددی تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB 155

5-4-3-1 مقدمه.. 155

5-4-3-2 ماتریس الاستیسیته.. 157

5-4-3-3 آنالیز خطی و روش اجزاء محدود برپایه جابجائی.. 158

5-4-3-4 تعیین و نگاشت المان.. 158

5-4-3-5 ماتریس کرنش-جابجائی.. 161

5-4-3-6 ماتریس سختی برای یک المان ذوزنقه ای.. 162

5-4-3-7 ماتریس سختی برای یک حلقه کربن.. 163

5-4-3-8 ماتریس سختی برای یک ورق گرافیتی تک لایه.. 167

5-4-3-9 مدل پیوسته به منظور تعیین خواص مکانیکی ورق گرافیتی تک لایه 168

فصل ششم.

نتایج 171

6-1 نتایج حاصل از مدل انرژی-معادل.. 172

6-1-1 خصوصیات محوری نانولوله کربنی تک دیواره.. 173

6-1-2خصوصیات محیطی نانولوله کربنی تک دیواره.. 176

6-2 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله نرم افزار ANSYS. 181

6-2-1 نحوه مش بندی المان محدود نانولوله های کربنی تک دیواره در نرم افزار ANSYS و ایجاد ساختار قاب فضایی و مدل سیمی به کمک نرم افزار ]54MATLAB [ 182

6-2-2 اثر ضخامت بر روی مدول الاستیک نانولوله های کربنی تک دیواره 192

6-3 نتایج حاصل از مدل اجزاء محدود بوسیله کد تدوین شده توسط نرم افزار MATLAB 196

فصل هفتم.

نتیجه گیری و پیشنهادات 203

7-1 نتیجه گیری.. 204

7-2 پیشنهادات.. 206

 فهرست مراجع207

 فهرست علائم

تعریف علائم اختصاری

 SWCNTs : Single-Walled Carbon Nanotubes

MWCNTs : Multi-Walled Carbon Nanotubes

CNTs : Carbon Nano Tubes

MWNTs : Multi-Walled Nano Tubes

FED : Field Emission Devices

TEM : Transmission Electron Microscope

SEM : Scanning Electron Microscopy

CVD : Chemical Vapor Deposition

PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

SPM : Scanning Probe Microscopy

NEMs : Nano Electro Mechanical System

AFM : Atomic Force Microscopy

STM : Scanning Tunnelling Microscopy

FEM : Finite Element Modeling

ASME : American Society of Mechanical Engineers

RVE : Representative Volume Element

SLGS: Single-Layered Grephene Sheet

 فهرست جداول

عنوان صفحه

جدول 4-1:اتفاقات مهم در توسعه مواد در 350 سال گذشته .......................................................................76

جدول 5-1: خصوصیات هندسی و الاستیک المان تیر.................................................................................135

جدول5-2: پارامترهای اندرکنش واندر والس ...........................................................................................150

جدول6-1: اطلاعات مربوط به مش بندی المان محدود مدل قاب فضایی در نرم افزار ANSYS ...............184

جدول6-2 : مشخصات هندسی نانولوله های کربنی تک دیواره در هر سه مدل ...........................................185

جدول6-3: داده ها برای مدول یانگ در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS .......................................186

جدول6-4 : داده ها برای مدول برشی در هر سه مدل توسط نرم افزار ANSYS .......................................187

جدول6-5: مقایسه نتایج مدول یانگ برای مقادیر مختلف ضخامت گزارش شده .......................................194

جدول 6-6 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش صندلی راحتی .............................................196

جدول 6-7 : مشخصات صفحات گرافیتی مدل شده با آرایش زیگزاگ .....................................................197

جدول 6-8 : مقایسه مقادیر E، G و به دست آمده از مدل های تدوین شده در این تحقیق با نتایج موجود در منابع .....................................................................202

 فهرست اشکال

عنوان صفحه

شکل 1-1 : میکروگراف TEMکه لایه های نانو لوله کربنی چند دیواره را نشان می دهد ...............................4

شکل 1-2: اشکال متفاوت مواد با پایه کربن ..................................................................................................6

شکل 1-3: تصویر گرفته شده TEM که فلورن هایی کپسول شده به صورت نانولوله های کربنی تک دیوارهرا نشان می دهد .................................................................................................................................................7

شکل 1-4 : تصویر TEM از نانولوله کربنی دو دیواره که فاصله دو دیواره در عکس TEM nm 36/0 میباشد ..............................................................................................................................................................8

شکل 1-5: تصویر TEM گرفته شده از نانوپیپاد .........................................................................................8

شکل 2-1: تصویر نانو لوله های تک دیواره و چند دیواره کشف شده توسط ایجیما در سال 1991................15

شکل 2-2: انواع نانولوله: (الف) ورق گرافیتی (ب) نانولوله زیگزاگ (0، 12) (ج) نانولوله زیگزاگ (6، 6) (د) نانولوله کایرال (2، 10) ................................................................................17

شکل 2-3 : شبکه شش گوشه ای اتم های کربن ............................................................18

شکل2-4 : تصویر شماتیک شبکه شش گوشه ای ورق گرافیتی، شامل تعریف پارامترهای ساختاری پایه و توصیف اشکال نانولوله های کربنی تک دیواره .........................................................

شکل 2-6 : نانو پیپاد ..............................................................21

شکل 2-7 : شکلشماتیک یک نانو لوله که از حلقه ها شش ضلعی کربنی تشکیل شده است .......22

شکل2-8 : تصویر شماتیک یک حلقه شش ضلعی کربنی و پیوندهای مربوطه........................22

شکل 2-9: تصویر شماتیک شبکه کربن در سلول های شش ضلعی .......................23

شکل 2-10: توضیح بردار لوله کردن نانو لوله، بصورت ترکیب خطی از بردارهای پایه b , a ..............23

شکل2-11: نمونه های نانولوله های صندلی راحتی، زیگزاگ و کایرال و انتها بسته آنها که مرتبط است با تنوع فلورن ها ................................................................................24

شکل 2-12: تصویر سطح مقطع یک نانو لوله .......................................................25

شکل 2-13: مراحل آزاد سازی نانو لوله کربن ..............................................33

شکل 2-14 : مراحل کمانش و تبدیل پیوندها در یک نانو لوله تحت بار فشاری ....................36

شکل 2-15: نحوه ایجاد و رشد نقایص تحت بار کششی الف: جریان پلاستیک، ب: شکست ترد (در اثر ایجاد نقایص پنج و هفت ضلعی) ج: گردنی شدن نانو لوله در اثر اعمال بار کششی ......................38

شکل 2-16: تصویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشی SEM اعمال بار کششی بر یک نانو لوله ...........39

شکل 2-17: شکل شماتیک یک نانولوله کربنی به عنوان نوک AFM. .........................47

شکل2-18: نانودنده ها .........................................................50

شکل 3-1: آزمایش تخلیه قوس .....................................................................56

شکل 3-2: دستگاه تبخیر/سایش لیزری .............................................58

شکل 3-3 : شماتیک ابزار CVD ....................................................60

شکل 3-4 : میکروگرافی که صاف و مستقیم بودن MWCNTs را که به روش PECVD رشد یافته نشان می دهد ...................................62

شکل 3-5 : میکروگراف که کنترل بر روی نانو لوله ها را نشان می دهد: (الف) 40–50 nmو (ب). 200–300 nm ............................................................62

شکل 3-6: نانولوله کربنی MWCNT به عنوان تیرک AFM ...............................71

شکل 4-1: تصویر شماتیک ارتباط بین زمان و مقیاس طول روشهای شبیه سازی چند مقیاسی .........75

شکل 4-2: مدل سازی موقعیت ذرات در محیط پیوسته ..........................77

شکل 4-3: محدوده طول و مقیاس زمان مربوط به روشهای شبیه سازی متداول .....................82

شکل 4-4: تصویر تلاقی ابزار اندازه گیری و روش های شبیه سازی ......................82

شکل 4-5 : تصویر شماتیک وابستگی درونی روش ها و اصل اعتبار روش .................83

شکل 4-6: تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه .............85

شکل 4-7: موقعیت نسبی اتمها در شبکه کربنی برای بدست آوردن طول پیوندها در نانولوله ........85

شکل 4- 8 : المان حجم معرف در نانو لوله کربنی ......................................90

شکل 4- 9 : مدلسازی محیط پیوسته معادل ......................90

شکل 4- 10 : المان حجم معرف برای مدلهای شیمیایی، خرپایی و محیط پیوسته ...........92

شکل4-11 : تصویر شماتیک تغییر شکل المان حجم معرف ...............................92

شکل4-12 : شبیه سازی نانو لوله بصورت یک قاب فضایی .......................93

شکل4- 13 : اندرکنشهای بین اتمی در مکانیک مولکولی .................93

شکل4-14: شکل شماتیک یک صفحه شبکه ایکربن شامل اتم های کربن در چیدمان های ششگوشه ای.96

شکل 4-15: شکل شماتیک گروهای مختلف نانولوله کربنی ................97

شکل 4-16: وابستگی کرنش بحرانی نانولوله به شعاع با ضخامت های تخمینی متفاوت ..............98

شکل 5-1: نمایش نیرو وپتانسیل لنارد-جونز برحسب فاصله بین اتمی r ........................107

شکل 5-2: نمایش نیرو وپتانسیل مورس برحسب فاصله بین اتمی r ...................108

شکل 5-3: تصویر شماتیک اتمهای i،j وk و پیوندها و زاویه پیوند مربوطه ..............109

شکل5-4: فعل و انفعالات بین اتمی در مکانیک مولکولی ...................115

شکل5-5 : شکل شماتیک (الف) یک نانولوله صندلی راحتی (ب) یک نانولوله زیگزاگ .......116

شکل5-6 : شکل شماتیک یک نانولوله صندلی راحتی (الف) واحد شش گوشه ای (ب) نیرو های توزیع شده روی پیوند b ...............................................117

شکل5-7 : شکل شماتیک یک نانولوله زیگزاگ(الف) واحد شش گوشه ای(ب) نیرو های توزیع شده روی پیوند b ............................................................120

شکل5– 8 : تصویر شماتیک توزیع نیروها برای یک نانولوله کربنی تک دیواره ............122

شکل 5-9: تصویر شماتیک توزیع نیرو در یک نانولوله کربنی زیگزاگ ...............124

شکل5- 10: تصویر شماتیک(الف) نانولوله کربنی Armchair، (ب) مدل تحلیلی برای تراکم در جهت محیطی(ج) روابط هندسی ...........................125

شکل 5-11: تصویر شماتیک(الف) نانولوله کربنیZigzag(ب)مدل تحلیلی برای فشار در جهتمحیطی...129

شکل 5-12: تعادل مکانیک مولکولی و مکانیک ساختاری برای تعاملات کووالانس و غیر کووالانس بین اتم های کربن(الف) مدل مکانیک مولکولی (ب) مدل مکانیک ساختاری ....................132

شکل 5-13: منحنی پتانسیل لنارد-جونز و نیروی واندروالس نسبت به فاصله اتمی ...............133

شکل5-14: رابطه نیرو (بین پیوند کربن-کربن) و کرنش بر اساس پتانسیل بهبود یافته مورس ......137

شکل 5-15:استفاده از المانمیله خرپایی برای شبیه سازی نیروهای واندروالس ............138

شکل5-16: منحنی نیرو-جابجائی غیر خطی میله خرپایی ..................139

شکل 5-17: تغییرات سختی فنر نسبت به جابجائی بین اتمی ..................140

شکل 5-18: مدل های المان محدود ایجاد شده برای اشکال مختلف نانولوله(الف):صندلی راحتی (7،7) (ب):زیگزاگ(7،0) (ج): نانولوله دودیواره (5،5) و (10،10) .................140

شکل5-19: المان های نماینده برای مدل های شیمیایی ، خرپایی و محیط پیوسته ..142

شکل 5-20: شبیه سازی نانولوله های کربنی تک دیواره به عنوان ساختار قاب فضایی .............144

شکل5-21: شرایط مرزی و بارگذاری بر روی مدل المان محدود نانو لوله کربنی تک دیواره: (الف) زیگزاگ (7،0) ، (ب) صندلی راحتی (7،7) ، (ج) زیگزاگ (0،10) ، (د) صندلی راحتی (7،7) .................................145

شکل5-22: شرایط مرزی و بارگذاری بر روی مدل المان محدود نانو لوله کربنی چند دیواره: (الف) مجموعه 4 دیواره نانولوله زیگزاگ (5،0) (14،0) (23،0) (32،0) تحت کشش خالص ، (ب) مجموعه 4 دیواره نانولوله صندلی راحتی (5،5) (10،10) (15،15) (20،20) تحت پیچش خالص ..........................145

شکل5-23: نانولوله تحت کشش ...............................147

شکل5-24: یک نانولوله کربنی تک دیواره شبیه سازی شده به عنوان ساختار قاب فضایی ...........148

شکل5-25 : شکل شماتیک اتمهای کربن و پیوند های کربن متصل کننده آنها در ورق گرافیت ..148

شکل 5-26: نمودار Eωa بر حسب فاصله بین اتمی ρa ........................150

شکل 5-27: شکل شماتیک شش گوشه ای کربن و اتم های کربن و پیوندهای کواالانس و واندروالس .....151

شکل5-28: شکل شماتیک شش گوشه ای کربن که تنها پیوندهای کووالانس را نشان می دهد .....151

شکل5-29 : سه حالت بارگذاری برای معادل سازی انرژی کرنشی مدل ها ....................152

شکل5-30 : شکل شماتیک از شش گوشه ای کربن و نیرو های غیر پیوندی ............154

شکل5-31 : شکل شماتیک شش گوشه ای کربن با در نظر گرفتن 9 پیوند واندروالس بین اتم های کربن ...154

شکل5-32: یک مدل جزئی از ساختار شبکه ای رول نشده که نانولوله کربنی را شکل می دهد. شش ضلعی های متساوی الاضلاع نماینده حلقه های شش ضلعی پیوند های کووالانس کربن می باشد، که هر رأس آن محل قرار گیری اتم کربن می باشد .................................................156

شکل5-33: شکل یک حلقه کربن به صورت یک شش ضلعی متساوی الاضلاع و هر اتم کربن به عنوان گره با نامگذاری قراردادی ......159

شکل 5-34: شکل یک ذوزنقه متساوی الساقین از حلقه شش گوشه ای کربن (الف) در فضای x و y (ب) شکل نگاشت یافته در فضای r و s ..........................................159

شکل 5-35: المان ذوزنقه ای هم اندازه و مشابه المان اصلی ABCF که در صفحه به اندازه زاویه θ چرخیده است ..........................................................163

شکل 5-36 : شش حالت ممکن ذوزنقه شکل گرفته در شش گوشه ای کربن ABCDEF. هر ذوزنقه یک شکل دوران یافته از دیگری است ..................................166

شکل 5-37 : حلقه شش گوشه ای کربن ABCDEF که تشکیل شده از دو ذوزنقه ABCD و DEFC، دراین شکل نشان داده شده که در این حالت تنها CF ایجاد شده است ..................167

شکل 5-38: شکل شماتیک حلقه کربن شش گوشه ای به عنوان المان پایه صفحه گرافیتی .........168

شکل 5-39 : پارامترهای هندسی ورق گرافیتی .......................169

شکل 5-40 : مدل ورق گرافیتی زیگزاگ.ورق گرافیتی تک لایه a)تحت کشش b)تحت بار های مماسی..170

شکل6-1: شکل شماتیک(الف) یک نانولوله صندلی راحتی(ب) یک نانولوله زیگزاگ ........172

شکل 6-2 : تغییرات مدول یانگ در جهت محوری E.........................173

شکل 6-3 : تغییرات مدول برشی G .........................................174

شکل 6-4 : تغییرات مدول یانگ در جهت محوری E نانولوله های کربنی با قطر یکسان، نسبت به ضخامت دیواره t ............................................174

شکل 6-5: تغییرات مدول برشی نانولوله های کربنی با قطر یکسان نسبت به ضخامت دیواره t.........175

شکل 6-6: تغییرات نسبت پواسون .................................175

شکل 6-7 : تغییرات مدول یانگ در جهت محیطی( Eθ) ...........................176

شکل 6-8: تغییرات مدول یانگ در جهت محیطی( Eθ) نانولوله های کربنی با قطر یکسان، نسبت به ضخامت دیواره t.............................177

شکل 6-9: تغییرات نسبت پواسون(νθz) ..................................177

شکل 6-10: مقایسه تغییرات مدول یانگ در جهت محوری E نسبت به قطر...............178

شکل 6-11: مقایسه تغییرات مدول یانگ در جهت محیطی ( Eθ) نسبت به قطر...............179

شکل 6-12: مقایسه تغییرات مدول برشی نسبت به قطر................................179

شکل 6-13: مقایسه تغییرات نسبت پواسون(νθz) نانولوله های کربنی نسبت به قطر............180

شکل6-14: نمودار تنش-کرنش برای نانولوله کربنی صندلی راحتی..................181

شکل6-15: شکل شماتیک شش گوشه ای کربن همرا با تنها 6 پیوند کووالانس.........181

شکل6-16: شکل شماتیک شش گوشه ای کربن و اتم های کربن و6 پیوند کواالانس و6پیوند واندروالس..182

شکل6-17: شکل شماتیک شش گوشه ای کربن با در نظر گرفتن 9 پیوند واندروالس بین اتم های کربن...182

شکل6-18: مش بندی المان محدود نانولوله های کربنی تک دیواره صندلی راحتی و زیگزاگ ......183

شکل6-19: نانولوله های کربنی تک دیواره صندلی راحتی(12،12) و زیگزاگ(14،0) تحت تست کشش...184

شکل6-20:کانتور تغییر شکل نانولوله های کربنی تک دیواره صندلی راحتی(12،12) تحت تست کشش....185

شکل6-21: نانولوله های کربنی تک دیواره صندلی راحتی(12،12) تحت تست پیچش .....186

شکل6-22: کانتور تغییر شکل نانولوله های کربنی تک دیواره صندلی راحتی(12،12) تحت تست پیچش ..187

شکل 6-23: مقایسه تغییرات مدول یانگ نانولوله تک دیواره صندلی راحتی نسبت به قطر برای هر سه مدل اجزاء محدود .........................................188

شکل 6-24: مقایسه تغییرات مدول یانگ نانولوله تک دیواره زیگزاگ نسبت به قطر برای هر سه مدل اجزاء محدود .......................188

شکل 6-25: مقایسه تغییرات مدول برشی نانولوله تک دیواره صندلی راحتی نسبت به قطر برای هر سه مدل اجزاء محدود .....................................189

شکل 6-26: مقایسه تغییرات مدول برشی نانولوله تک دیواره زیگزاگ نسبت به قطر برای هر سه مدل اجزاء محدود ...................................190

شکل 6-27:مقایسه تغییرات نسبت پواسون نانولوله تک دیواره نسبت به قطر برای هر سه مدل اجزاء محدود.190

شکل 6-28: مدل اجزاء محدود نانولوله تک دیواره (12و12) بعد از تست کشش ...........191

شکل 6-29: مدل اجزاء محدود نانولوله تک دیواره (12و12) بعد از تست پیچش ........192

شکل6-30: شماتیک سه شکل نانولوله: مدل مولکولی، مدل ساختاری، و مدل معادل پیوسته ......193

شکل6-31: فاصله بین لایه های ورق گرافیتی ..............193

شکل 6-32: مقایسه مدول یانگ برای نانولوله کربنی (8،8) در ضخامت های مختلف با نتایج موجود در مراجع ........195

شکل 6-33 : پارامترهای هندسی ورق گرافیتی .....................................196

شکل 6-34: شکل شماتیک حلقه کربن شش گوشه ای به عنوان المان پایه صفحه گرافیتی.........197

شکل 6-35: مقایسه تغییرات مدول یانگ صفحه گرافیتی تک دیواره صندلی راحتی نسبت n, t....... 198

شکل 6-36: مقایسه تغییرات مدول یانگ صفحه گرافیتی تک دیواره زیگزاگ نسبت n, t........198

شکل 6-37: مقایسه تغییرات مدول برشی صفحه گرافیتی تک دیواره صندلی راحتی نسبت n, t ...199

شکل 6-38: مقایسه تغییرات مدول برشی صفحه گرافیتی تک دیواره زیگزاگ نسبت n, t ..199

شکل 6-39 : مقایسه تغییرات نسبت پواسون صفحه گرافیتی تک دیواره صندلی راحتی نسبت n.......200

شکل 6-40: مقایسه تغییرات نسبت پواسون صفحه گرافیتی تک دیواره زیگزاگ نسبت n ..200

تحقیق فناوری نانو و کاربردهای آن

عنوان تحقیق: تحقیق فناوری نانو و کاربردهای آن

قالب بندی: word

تعداد صفحات: 64

قسمتی از متن:

فناوری نانو از همگرایی علوم فیزیک، شیمی و زیست شناسی به وجود آمده است.نانو تکنولوژی، تکنولوژی سریع و نوینی است که امکان کار،دست کاری و تولید ابزار، مواد و ساختار هایی در سطح مولکولی و حتی اتمی توسط اتم در ساختارهای عملکردی در بعد نانومتر را می دهد .

ما با روشهای نانو می توانیم ابزار های چند کاره، خود تنظیم،خود کنترل و خود ترمیم بسازیم.نانولوله های کربنی در واقع لوله هایی از گرافیت میباشد گرافیت شکلی از کربن است که از لایه های حاوی آرایش های شش ضلعی حاوی اتم کربن است یک خصوصیت مشهور آنها استحکام کششی برجسته آنهاست.در یک نانولوله ی کربنی، اتم های کربن در ساختاری استوانه ای آرایش یافته اند. یعنی یک لوله ی توخالی که جنس دیواره اش از اتم های کربن است.انو لوله های کربنی از لحاظ کاتالیزوری فعال می باشند. نانو لوله ها خاصیت مویینگی بالایی دارند و می توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند . از نانو لوله های چند دیواره ای به عنوان الکترود در واکنشهای بیوالکترو شیمیایی استفاده شده است.نانو لوله ها احتمالا جایگزینی مناسب برای مقیاس نانو و نور ساتع کننده و دیگر کاربردهای نوری هستند،بویژه در طول موج ناحیه فرو سرخ که به عنوان مثال برای ارتباط نوری قابل توجه است.آینده کاربرد نانولوله‌ها در بخش الکترونیک روشن است؛ خواص الکتریکی و پایداری شیمیایی بی بدیل نانولوله‌ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از این خواص سوق خواهد‌ داد.

فهرست مطالب:

فصل اول. 4

1-1مقدمه. 5

1-2 تاریخچه نانو. 7

1- 3 تعریف نانوفناوری.. 8

1- 4تفاوت فناوری نانو با فناوری دیگر. 10

1- 5 شاخه‌های اصلی دانش نانو. 10

1-6 کاربردهای نانو. 11

1- 7 نانوتکنولوژی در آینده. 12

1-8 تاثیرات سودمند فناوری نانو بر محیط زیست.. 13

1-9 تاثیرات مخرب فناوری نانو بر محیط زیست.. 13

1-10 زیر ساختارها (عناصر پایه). 14

1- 10-1 مواد نانوساختارها14

1-10-2 مواد نانوبلوری.. 14

1-10-3 نانوذرات.. 15

1-10-4 نانوکامپوزیت.. 16

1-10-5 نانو کپسول ها17

1-10-6 مواد نانو حفره ای.. 18

1-10-7 نانوالیاف.. 19

1-10-8 نانوسیم ها20

1-10-9 فولرین ها20

1-10-10 نانو لوله های کربنی.. 22

1-10-11 الماسواره‌ها23

فصل دوم. 24

2 -1نانولوله های کربنی.. 25

2-1-1 آلوتروپ های کربن.. 25

2-1-2 نانولوله های کربنی.. 26

2-2 انواع نانولوله های کربنی.27

2-3 ویژگیهای نانو لوله های کربنی.. 29

2-3-1 اندازه بسیار کوچک (قطر کوچکتر از 4/0 نانومتر). 29

2-3-2 حالت رسانا و نیمه‌رسانایی آن ها بر حسب شکل هندسی‌شان.. 29

2-3-3 برخورداری از خاصیت منحصر به فرد ترابری پرتابه‌ای.. 30

2-3-4 قدرت رسانایی گرمایی خیلی بالا. 30

2-3-5 سطح جداره صاف یا قدرت تفکیک بالا. 30

2-3-6 بروز خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد در طول آن ها30

2-3-7 مدول یانگ بالا. 30

2-3-8 حساس به تغییرات کوچک نیروهای اعمال شده. 30

2-3-9 گسیل و جذب نور. 31

2-3-10 ضریب تحرک الکتریسیته بسیار بالا. 31

2-3-11 خاصیت مغناطیسی، ممان مغناطیسی بسیار بزرگ... 31

2-3-12 چگالی سطحی بسیار بالا. 31

2-3-13 قابلیت ذخیره‌سازی.. 31

2-3-14 داشتن خاصیت ابررسانایی.. 32

2-3-15 تولید ولتاژ. 32

2-3-16 استحکام و مقاومت کششی بالا. 32

2-3-17خصوصیات اپتیکی نانو لوله های کربن.. 32

2-4 ساختار الکترونی نانولوله کربن.. 37

2-5کاربردهای نانو لوله های کربنی.. 40

2-5-1 ترانزیستورها41

2-5-2حسگرها41

2-5-3 نمایشگرهای گسیل میدانی.. 42

2-5-4 حافظه‌های نانولوله‌ای.. 43

2-5-5 استحکام‌دهی کامپوزیت‌ها43

2-5-6 استفاده از نانولوله های تک دیواره در صنعت الکترونیک... 44

2-5-7 ساختار تو خالی نانولوله و کاربرد به عنوان ذخیره کننده و پیل سوختی.. 44

2-5-8 ساخت نانوماشین ها با استفاده از نانولوله های کربنی.. 45

2-5-9 ساخت ماهیچه های مصنوعی.. 45

2-5-10گسترش‌های لیف/نخ نانو. 46

2-5-11 تصفیه آب.. 46

2-5-12 شناسایی ساختار پروتئین.. 47

2-5-13 امکان ابررسانایی دمای اتاق در نانو لوله های کربنی.. 48

فصل سوم. 50

3-1روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی.. 51

3-1-1 روش تخلیه قوس الکتریکی.. 51

3-1-2 روش سایش لیزری.. 53

3-1-3 روش رسوب شیمیایی فاز بخار (CVD). 54

الف. رسوب شیمیایی فاز بخار (CVD). 54

ب.تولید نانولوله‌های کربنی به روش CVD.. 55

ج. مراحل تولید. 56

نتیجه گیری.. 59

منابع. 61

  

پایان نامه بررسی تئوری و عددی نانولوله های کربنی به عنوان یک کانال در ترانزیستور های اثر میدانی

مشخصات مقاله:

دسته : مهندسی برق و الکترونیک

عنوان پایان نامه : بررسی تئوری و عددی نانولوله های کربنی به عنوان یک کانال در ترانزیستور های اثر میدانی

قالب بندی : word

قیمت: 2800 تومان

شرح مختصر: با گذر زمان و پیشرفت علم و تکنولوژی نیاز بشر به کسب اطلاعات و سرعت پردازش و ذخیره سازی آنها به صورت فزاینده ای بالا رفته است. گوردن مور معاون ارشد شرکت اینتل در سال ۱۹۶۵ نظریه ای ارائه داد مبنی بر اینکه در هر ۱۸ ماه تعداد ترانزیستورهایی که در هر تراشه به کار می رود دو برابر شده و اندازه آن نیز نصف می شود . این کوچک شدگی نگرانی هایی را به وجود آورده است. بر اساس این نظریه در سال ۲۰۱۰ باید ترانزیستورهایی وجود داشته باشد که ضخامت اکسید درگاه که یکی از اجزای اصلی ترانزیستور است به کمتر از یک نانومتر برسد. بنا بر این باید بررسی کرد، اکسید سیلیسیم به عنوان اکسید درگاه در ضخامت تنها کمتر از یک نانومتر انتظارات ما را در صنایع الکترونیک برآورده میکند یا نه. در راستای همین تحقیقات گروه دیگری از دانشمندان به بررسی نیترید سیلیکون به عنوان نامزد جدیدی برای اکسید درگاه پرداختند و نشان دادند که این ماده می تواند جایگزین مناسبی برای اکسید سیلیکون باشد . جهت تولید ترانزیستورهای نسل امروز احتیاج به دانشی داریم که بتوانیم در ابعاد نانو تولیدات صنعتی از تراشه ها را داشته باشیم. بنا بر این توجه جوامع علمی و اقتصادی جهان بر این شاخه از علم که به فن آوری نانو معروف است، جلب شده است. در این بین نانولوله های کربنی به دلیل خواص منحصر به فرد الکتریکی و مکانیکی که از خود نشان داده اند توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده اند. در راستای این تحقیقات ما به بررسی خواص الکتریکی نانولوله های کربنی پرداخته ایم. بسیاری از دانشمندان بر این باور هستند که نانولوله های کربنی به دلیل قابلیت رسانش ویژه یک بعدی جای مواد سیلیکونی در تراشه های نسل آینده را خواهند گرفت.

فهرست:

فهرست مقاله:

مقدمه

مقدمهای بر کربن و اشکال مختلف آن در طبیعت و کاربرهای آن

مقدمه

گونه های مختلف کربن در طبیعت

کربن بیشکل

الماس

گرافیت

فلورن و نانو لوله های کربنی

ترانزیستورهای اثر میدانی فلز اکسید نیمرسانا و ترانزیستور های اثرمیدانی نانولوله ی کربنی

بررسی ساختار هندسی و الکتریکی گرافیت و نانولوله های کربنی

ساختار الکترونی کربن

اربیتال p کربن

روش وردشی

هیبریداسون اربیتالهای کربن

ساختار هندسی گرافیت و نانولول هی کربنی

ساختار هندسی گرافیت

ساختار هندسی نانولوله های کربنی

یاختهی واحد گرافیت و نانولوله ی کربنی

یاختهی واحد صفحهی گرافیت

یاخته واحد نانولوله ی کربنی

محاسبه ساختار نواری گرافیت و نانولوله ی کربنی

مولکولهای محدود

ترازهای انرژی گرافیت

ترازهای انرژی نانولوله ی کربنی

چگالی حالات در نانولوله ی کربنی