تحلیل تنش‌های پسماند حرارتی پلیمر تقویت‌شده با نانولوله‌های کربنی با استفاده از یک مدل ‌نیمه‌پیوسته متقارن چرخه‌ای

در این پژوهش رفتار مکانیکی حرارتی پلیمرهای تقویت‌شده با نانولوله کربنی ساده با استفاده از یک روش تحلیلی مبتنی بر مدل‌سازی مکانیک ‌نیمه‌پیوسته مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور یک المان حجمی نماینده از پلیمر تقویت‌شده با نانولوله استوانه‌ای شکل با تقارن چرخه‌ای استفاده می‌شود که در آن تقویت‌کننده نانولوله در مقیاس نانو و پلیمر اطرافش به‌صورت محیط پیوسته مدل شده‌اند. واردنمودن شرایط متقارن چرخه‌ای در فرآیند حل مساله سبب هماهنگی هرچه بیشتر نتایج تحلیلی با شرایط واقعی می‌شود. فاز میانی بین نانولوله و پلیمر نیز با تنش‌های بین سطحی و خواص مکانیکی برگرفته از اثر نیروهای واندروالسی موثر بین اتم‌های نانولوله و پلیمر مدل‌سازی می‌شود. ‌به‌طور کلی تنش‌های پسماند حرارتی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری به‌دلیل اختلاف قابل توجه بین ضریب انبساط پلیمر و نانولوله به وجود می‌آید. در مقاله حاضر ابتدا مدل‌سازی ‌نیمه‌پیوسته توضیح داده شده است و سپس نقش برخی پارامترهای موثر بر تنش‌های پسماند حرارتی نظیر نسبت حجمی، نسبت منظری و دما مورد مطالعه قرار گرفته است. اگرچه بر اساس برخی از تحقیقات موجود درمقیاس ماکرو به نظر می‌رسد که افزودن نانولوله‌ها به پلیمر سبب کاهش ضریب انبساط نانوکامپوزیت و در نتیجه کاهش تنش‌های پسماند حرارتی آن خواهد بود، لکن نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که با انتخاب نامناسب برخی پارامترها نظیر نسبت حجمی و منظری نانولوله و نیز تغییر دما، تنش‌های پسماند حرارتی بین نانولوله و پلیمر زیاد می‌شود که این امر ‌می‌تواند باعث تضعیف استحکام نهایی ماده پلیمری شود.

Thermal Residual Stress Analysis of CNTs Reinforced Polymer Using a Cyclic Symmetry Semi-Continuum Model

In this research, the thermomechanical behavior of SWCNTs reinforced polymer has been characterized using an analytical method based on semicontinuum modeling. For this reason, a representative volume element of CNT reinforced polymer with cyclic symmetry boundary condition is used while the nanotube reinforcement is modeled in nanoscale and its surrounding polymer is considered as a continuum environment. Applying the cyclic symmetry boundary conditions in the problemsolving procedure causes satisfactory agreement between the results of the analytical method and the actual conditions. The interphase between the nanotube and polymer is also modeled using the cohesive stresses and the mechanical properties extracted from the VanderWaals forces between the atoms of nanotube and polymer. In general, the thermal residual stresses in polymer/CNT nanocomposites can occur due to the significant differences between the thermal expansion coefficient of polymer and CNT. In the present paper, the semicontinuum modeling has been firstly explained and then the role of some effective parameters such as volume fraction, aspect ratio, and temperature change on the residual thermal stresses has been studied. Although, based on some available researches in macro scale, it seems that adding the CNTs to polymer leads to decreasing the thermal expansion of nanocomposite and consequently decreasing its thermal residual stresses. However, the results of this paper show that by inappropriate selection of some parameters such as the volume fraction and aspect ratio of nanotubes and also the temperature change, the residual thermal stresses increase between the polymer and nanotube which it can weaken the material strength.