بررسی خواص مکانیکی کامپوزیتِ سیمان مسلح شده با نانو لوله کربن با استفاده از مدل سازی چند مقیاسی

نانولوله‌کربنی، محصول لایه برداری شیمیایی گرافیت، به دلیل داشتن نسبت تصویر بالا، قابلیت پخش خوب در آب و خواص مکانیکی عالی، یک افزودنی مناسب برای استفاده به عنوان تقویت کننده نانو در مواد با پایه سیمانی است. در این پژوهش با استفاده از مدل سازی چند مقیاسی تاثیر درصدحجمی، ضریب منظری، جهت‌گیری و برهم‌کنش بین سطوح بر خواص مکانیکی نانو لوله‌های کربنی در ماتریس سیمانی بررسی شد. برای مدل سازی با نرم افزار آباکوس با درک مفهومی المان نماینده حجم از کدهای متلب توسعه‌یافته و پایتون استفاده شد. برای مشاهده رفتار بین‌فازی میان ماتریس و نانولوله، تئوری سطح چسبنده استفاده شد. همچنین، نتایج خروجی مدل‌سازی دینامیک مولکولی برای تعیین پارامتر‌های سطح چسبنده مورد استفاده قرار گرفت. مدل‌سازی در وضعیت‌های پیوند کامل و پیوند محدود بین دو فاز در ماتریس و با بارگذاری محوری فشاری انجام شد. نتایج برای مدل‌های بتن، بدون تقویت‌کننده و با 5/0، 0/1 و 5/1 درصد حجمی مسلح‌کننده‌ی نانولوله‌کربنی و با دو ضریب منظر 10 و 20 بررسی گردید. جهت شناسایی اثربخشیِ جهت‌گیری، سه وضعیت جهت‌گیری تقویت‌کننده، موازی نیرو، عمود برنیرو و رندوم شبیه‌سازی گردید. نتایج نشان داد با افزایش درصد حجمی تقویت‌کنندهِ، استحکام مکانیکی و چقرمگی بهبود یافت. افزایش ضریب‌منظر از 10 به 20، افزایش تنش حدالاستیک و اصلاح رفتار پلاستیک در ماتریس را به‌همراه داشت. ضمنا تغییر در مدل‌رفتاری پیوند، از پیوندکامل به محدود، بین 3 تا 6 درصد کاهش در مقاومتِ مدل‌های با 5/0 و 0/1 درصد الیاف ایجاد نمود.

multiscale modeling of the mechanical properties of carbon nanotube reinforced cement composites

carbon nanotube, a product of chemical exfoliation of graphite, is a suitable additive for use as nanoreinforcement in cement-based materials due to its high aspect ratio, good water dispersibility and excellent mechanical properties. in the present study, the effect of volume fraction, aspect ratio, distribution orientation and interaction between surfaces on the mechanical properties of cement matrix reinforced with carbon nanotubes using multi-scale modeling was investigated. to model in the abaqus software, with the conceptual understanding of the volume representative element, a developed matlab and python scripts were applied. to observe the interphase behavior between the matrix and fillers, the cohesive surface theory was used. also, the output results of molecular dynamics modeling was used to determine the cohesive surface parameters. modeling was done in the states of full and limited bonding between two phases in nano-compsite with compressive axial loading. the cement models with 0, 0.5, 1, and 1.5 vol% with aspect ratios of 10 and 20 were evaluated and discussed. furthermore, the distribution effect was studied by defining the nanotubes to be parallel, perpendicular and random regarding the force direction. the results showed that increasing the volume fraction of cnts improves the yield strength and toughness of the samples. increasing the cnt aspect ratio from 10 to 20 leads to an increase of elastic limit and an improvement of plastic behavior of the next matrix. finally, the cohesive modeling of the interactions of matrix and cnt eventuated in 3 to 6% reductions per 0.5 and 1% cnt/cement composites.