Đang tải... (xem toàn văn)
Trong quá trình phát triển, con người luôn có những phát minh phục vụ cuộc sống của mình.
Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong viện cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình chỉ dạy chúng em trong suốt 5 năm qua. Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ học vật liệu đã giúp đỡ chúng em trong thời gian hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt chúng em tỏ lòng cảm ơn đến thầy Lê Minh Quý đã trực tiếp tận tình hướng dẫn chỉ bảo chúng em hoàn thành đồ án này. SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 1 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình phát triển, con người luôn có những phát minh phục vụ cuộc sống của mình. Việc tìm ra vật liệu mới thay thế vật liệu truyền thống là một bước tiến của khoa học mà công nghệ na nô được nhắc tới như là một điển hình. Tất cả các máy, kết cấu và dụng cụ có thể được thiết kế từ kích thước nguyên tử. Những tấm graphene có độ bền phá kỷ lục có thể là ý tưởng để thiết kế những dụng cụ có cấu trúc na nô và kết cấu na nô-composite. Kể từ khi “chất liệu nghi vấn” graphene – các tấm carbon chỉ dày một nguyên tử - được khám phá ra vào năm 2004 do hai nhà khoa học người Nga là Konstantin Novoselov và Andre Geim. Nó đã tỏ ra là một chất dẫn điện cực kì tốt; một chất bán dẫn có thể dùng để chế tạo transistor; và là một vật liệu rất bền. James Hone, Jeffrey Kysar, Changgu Lee và Xiaoding Wei ở trường đại học Columbia đã chứng minh cho thấy nó là chất liệu bền nhất từ trước đến nay[1]. Do khó khăn trong nghiên cứu thực nghiệm, mô phỏng số được coi là công cụ đắc lực mô hình hóa và xác định đặc trưng cơ học của Graphene và Composite từ nó. Với đề tài: “Tính toán và mô phỏng uốn tấm nanocomposite nền polymer cốt graphene”. Đồ án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Marc để mô hình hóa và xác định đặc trưng cơ học của graphene và tính toán bài toán uốn tấm nanocomposite nền polymer cốt graphene. Nội dung chính của đồ án được trình bày như sau: Chương 1 :trình bày về lịch sử phát triển và ứng dụng, cấu trúc và các đặc tính của graphene. Cơ sở lựa chọn loaị vật liệu composite của graphene để nghiên cứu Chương 2 :mô hình hóa tấm graphene bằng phương pháp phần tử hữu hạn và tính mô đun đàn hồi của tấm graphene. Chương 3 : Mô hình phần tử hữu hạn của bài toán Chương 4 : Kết quả cho bài toán uốn Chương 5 : Kết Luận SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 2 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý Mục lục SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 NH N XÉT C A GIÁO VIÊN H NG D NẬ Ủ ƯỚ Ẫ ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… 3 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 NH N XÉT C A GIÁO VIÊN PH N BI NẬ Ủ Ả Ệ ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… 4 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý Kí hiệu sử dụng trong đồ án Kí hiệu Ý nghĩa E Mô đun đàn hồi E d Mô đun đàn hồi của phần tử dầm Vs % thể tích graphene trong composite G d Mô đun trượt của phần tử dầm L Chiều dài của phần tử dầm d Đường kính của phần tử dầm A 0 Diện tích mặt cắt ngang của phần tử dầm L 0 Chiều dài ban đầu của Graphene h Chiều dày tấm Composite b Chiều rộng của tấm Composite P Lực phân bố đều tác dụng lên Composite J x Mô men quán tính mặt cắt ngang của dầm theo trục x J y Mô men quán tính mặt cắt ngang của dầm theo trục y J Mô men quán tính độc cực mặt cắt ngang của dầm J 0 Mô men quán tính độc cực mặt cắt ngang của ống na nô các bon k r Hệ số dãn dài trong hàm thế năng k θ Hệ số uốn trong hàm thế năng k τ Hệ số chống xoắn trong hàm thế năng D Độ cứng uốn của Tấm Composite M x Mô men uốn M z Mô men xoắn N z Lực dọc trục F Lực kéo tác dụng lên tấm Graphene P tl Giá tri lớn nhất của lực kéo trong giai đoạn đàn hồi của mẫu thử A Diện tích mặt cắt ngang của Graphene u Chuyển vị Kí hiệu sử dụng trong đồ án (tiếp) Kí hiệu Ý nghĩa U r Năng lượng liên kết khi kéo trong hàm thế năng U θ Năng lượng liên kết khi uốn trong hàm thế năng SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 5 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý U Ф Năng lượng liên kết khi xoắn trong hàm thế năng U ω Năng lượng liên kết khi xoắn không cùng mặt phẳng U vdw Năng lượng tương tác do lực Van der Waals W Độ võng của tấm Composite ΔL Biến dạng dài của tấm Δr Độ giãn dài trong hàm thế năng Δθ Góc uốn trong hàm thế năng ΔФ Góc xoắn trong hàm thế năng α Góc xoay của dầm β Góc xoắn của điểm cuối dầm γ Góc trượt (Độ trượt tương đối) ε Biến dạng θ Góc xoay tỉ đối mặt cắt ngang của ống khi chịu mô men xoắn σ Ứng suất σ tl Giới hạn tỉ lệ của vật liệu σ b Ứng suất bền τ Ứng suất tiếp υ Hệ số Poát xông φ Góc xoay của mặt cắt ngang CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Định nghĩa Graphene là một dạng thù hình của các bon với kết cấu na nô. Graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử cácbon với liên kết sp 2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại [1]. SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 6 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý Hình 1.1 Tấm Graphene 1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của Graphene Graphene – các tấm carbon chỉ dày một nguyên tử - được khám phá ra vào năm 2004 do hai nhà khoa học người Nga là Konstantin Novoselov và Andre Geim . Với sự khám phá đó năm 2010 giải Nobel Vật Lý đã được trao cho hai nhà khoa học này[2]. Graphen có nhiều tính chất chưa từng gặp ở các vật liệu khác, và các số đo tính năng của nó gây chấn động trong giới vật lý, hóa học và đặc biệt, điện tử học. Về tính chất vật lý, graphen là loại vật liệu rất cứng, cứng hơn cả kim cương, độ bền cao hơn thép trên 200 lần, những ở dạng đơn lớp lại dẻo như một miếng nhựa, có thể bẻ cong, gấp hoặc cuộn lại thành ống. Nó trong suốt cho phép tối thiểu 90% ánh sáng đi qua, điện trở thấp hơn chất dẫn điện trong suốt tiêu chuẩn là indi-thiếc oxit nên mở ra một ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 7 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý màn hình cảm ứng chất lượng cao, pin mặt trời, thiết bị lưu trữ năng lượng và dần dần có thể thay thế silicon trong lĩnh vực sản xuất chip máy tính tốc độ cao[2]. Nó dẫn điện tử nhanh hơn bất cứ vật liệu nào đã biết, giống như chuyển động của một hạt không trọng lượng của thuyết tương đối (massless relativistic particle) là photon. Từ đó nó trở thành vật liệu để thực hiện trong phòng thí nghiệm nhằm kiểm tra lại những dự đoán của cơ học lượng tử tương đối tính mà trước đây người ta cho rằng chỉ có thể quan sát thấy trong các máy gia tốc hạt Trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị vi điện tử, nhờ tính chất độc đáo của mình, các transistor graphen đã tạo ra những linh kiện rất đa dạng và ưu việt, đáp ứng nhu cầu của nhiều thiết bị mà nếu không phải nhà chuyên môn, người ta khó hình dung. Những mạch tích hợp (IC) dùng graphen đã thu nhỏ được kích thước đến tối đa mà vẫn bảo đảm (và nâng cao) tính năng các thiết bị vi điện tử - một hướng tiểu hình hóa (micronisation) thiết bị đang diễn ra. Ngành Sinh học gần đây cũng “nhòm ngó” đến graphen. Người ta đang thiết kế những thiết bị điện tử trên cơ sở những linh kiện chế tạo từ graphen để phân tích ADN và bộ gen người và các động thực vật với hy vọng sẽ có năng suất cao hơn và chính xác hơn. Viện Hàn lâm khoa học Trung quốc cũng phát hiện những tấm ôxit graphene có tính sát khuẩn cao và có khả năng dùng làm dụng cụ đựng thực phẩm có tác dụng bảo quản lâu dài. Chính những thành công trong nghiên cứu ứng dụng, người ta triển khai rất nhanh chóng các kết quả vào thực tế. Ngành công nghiệp graphene đã khai thác các phương pháp tổng hợp vật liệu này trên quy mô công nghiệp (ở đây, phương pháp hóa học có vai trò quan trọng) và giá thành sản xuất ngày càng giảm [2]. 1.3 Cấu trúc của Graphene. Về cơ bản graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử cácbon (0.147nm) với liên kết sp 2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong (lục giác đều), độ dài liên kết 0.142nm . Graphene có hai phương chính là phương zigzag và phương zrmchair[3]. SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 8 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý Hình 1.2 Cấu trúc của graphene Phương y ( phương zigzag); Phương x (phương armchair) 1.4 Các đặc tính của Graphene. 1.4.1 Đặc tính về cơ học. Graphen là chất cực kỳ cứng, hơn cả kim cương, độ bền cao hơn thép trên 200 lần, những ở dạng đơn lớp lại dẻo như một miếng nhựa, có thể bẻ cong, gấp hoặc cuộn lại thành ống. Mô đun kéo và độ bền của Graphene nằm trong khoảng 2.3-2.6 TPa và 11-200 GPa [3]. Trong hình 1.4, graphene thể hiện tính vượt trội về độ bền so với sợi các bon, thép. Hình 1.3 Biểu đồ so sánh độ bền của một số vật liệu 1.4.2 Đặc tính về điện Graphene có các tính chất về điện giống như kim loại và chất bán dẫn. các điện tử mang điện tích di chuyển rất nhanh và thường hoạt động như thê ̉ chúng có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với khi ở trong các kim loại thường hay siêu dẫn. Với đặc tính trên graphene có tính dẫn điện cao hơn các loại vật liệu khác. SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 x y 9 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý 1.4.3 Đặc tính về nhiệt Graphene có độ dẫn nhiệt và tản nhiệt cực tốt, thể hiện một đặc tính gọi là ballistic conduction. Graphene được dự đoán có thể truyền nhiệt lên tới 6000 W/mK ; so sánh với đồng là kim loại dẫn nhiệt tốt là 385 W/mK. Nhiệt độ ổn định của Graphene có thể ước lượng lên tới 2800 0 C trong chân không và 750 0 C trong không khí. Không những thế các nhà khoa học của ĐH Illinois (Mỹ) cho thấy: đặc tính nhiệt điện (thermoelectric) của lớp tổ ong này có thể là lời giải mới cho kỹ thuật tản nhiệt chip. Chỉ 1 lớp nguyên tử C rất khó quan sát. Song nhờ kỹ thuật quan sát dựa trên đầu dò (tip) của kính hiển vi lực nguyên tử (atomic force microscope – AFM), họ ghi nhận được mức biến thiên nhiệt ở độ phân giải nhỏ đến từng nguyên tử. Và theo quan sát thì graphene có mức tản nhiệt cao hơn mức sinh nhiệt [4]. 1.5 Cơ sở lựa chọn đề tài Kể từ khi ra đời graphene, nó đã tỏ ra là một chất dẫn điện cực kì tốt, một chất bán dẫn có thể dùng để chế tạo transistor, và là một vật liệu rất bền. Với các đặc tính về điện tử, nhiệt điện đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu để chế tạo ra những thiết bị bán dẫn mới, chíp điện tử siêu nhỏ… Việc ứng dụng các đặc tính cơ học của graphene để tạo ra những vật kiệu siêu bền cơ vẫn là một bài toán khó đối với các nhà khoa học bởi lẽ hai lý do sau : Việc chế tạo graphene phẳng đã rất khó khăn chưa nói đến việc phải định hình chúng để tạo ra các kết cấu cơ học, việc chế tạo các tâm kích thước nanomet trở thành những kết cấu lớn là một điều không tưởng và giá thành của nó rất cao so với những vật liêu truyền thống. Thế nhưng với sự phát triển của khoa học gần đây các nhà nghiên cứu trên thế giới đã phát hiện ra việc chế tạo graphene không phải là một điều khó khăn và sắp tới sẽ phát triển ngành công nghiệp chế tạo graphene. ‘‘Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa nhận thấy việc chiếu một camera flash vào graphite oxide đủ để tạo ra graphene – những tấm carbon dày một nguyên tử lần đầu tiên được khám phá ra vào năm 2004 có những tính chất cơ và điện độc nhất vô nhị. Quá trình mới này còn có thể sử dụng để những khuôn graphene phức tạp có thể tích hợp vào các mạch điện tử gốc carbon nhanh và linh hoạt’’ SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 10 10 [...]... việc nghiên cứu các đặc tính cơ học của vật liệu nanocomposite với cốt là các tấm graphene là điều sớm muộn Với sự hỗ trợ của máy tính và phầm mềm Marc bọn em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu các đặc trưng cơ học của graphene và nanocomposite của nó với polymer Đồ án trình bày bài toán uốn tấm nanocomposite và sự phụ thuộc của độ võng tấm khi chịu uốn vào tỉ lệ graphene có trong tấm nanocoposite từ đó... việc thực hiện giải các bài toán với cùng một mô hình hình học của tấm nhưng các thông số của vật liệu E và υ phục thuộc vào thành phần graphene có trong composite từ đó tìm ra kết quả là độ võng lơn nhất (wmax) ta đưa ra kết luận về sự phụ thuộc của độ võng tấm khi chịu uốn vào thành phần của graphene có trong tấm nanocomposite 3.3 Xây dựng mô hình Mô hình PTHH của tấm nanocomposite xây dựng trên... (2.18) 2.4 Tính toán cơ tính của tấm graphene Với việc mô hình hóa như trên ta có mô hình Graphene xây dựng bằng phần mềm MARC Mỗi liên kết các bon được mô hình hóa bằng một phần tử dầm với L = 0,1421 nm, đường kính d = 0,147 nm, mô đun Young E = 5,49 TPa, mô đun trượt G = 0,871 TPa SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 23 23 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý Hình 3.7 Mô hình tấm Graphene. .. Minh Quý MÔ HÌNH PTHH CỦA BÀI TOÁN 3.1 Đặc trưng vật liêu Do đặc trưng cơ học của tấm graphene là mô đun đàn hồi theo hai phương chính amchair và zigzac là như nhau nên tấm nanocomposite với cốt graphene là loại composite trực hướng đúng trục Mặt khác với kích thước bé (nano) nên ta coi tấm nonocomposite khảo sát có ứng sử cơ học như loại vật liệu đồng nhất đươc đặc trưng bởi các hệ số mô đun (E) và hệ... về hình học và mô đun của các phần tử dầm sử dụng để thay thế cho các liên kết sẽ được tính toán qua mối liên kết giữa các nguyên tử và phương pháp cơ học môi trường liên tục Nguyên tử C → nút Liên kết C-C → phần tử dầm Hình 2.1 Mô hình tấm Graphene trong kết cấu không gian 2.2 Mô đun đàn hồi của phần tử dầm 2.2.1 Hàm thế năng Để tính mô đun đàn hồi của phần tử dầm, liên kết giữa phân tử và cơ học liên... (N) Chuyển vị : ∆L = 0.2448 (nm) F/A Mô đun đang hồi kéo E2/G = ∆ L/L = 2.498 (Tpa) • So sánh với kết quả của (E = 2.52)[5] thì kết quả tính toán khi khiểm nghiệm bằng phần mềm Marc lớn hơn 1.15% Sai số này do làm tròn số trong quá trình tính toán và việc PPPTHH là phương pháp xấp xỉ mô hình Việc xây dựng mô hình và tính toán bằng phần mềm cho kết quả chính xác và đáng tin cậy SVTH: Hoàng văn Tình... Minh Quý Hình 3.3 Mô hình tấm trên phần mềm Marc SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 30 30 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Theo các giả thiết ở chương 3 ta giải bài toán uốn tấm theo phương pháp giải tích đối với tấm phẳng là vật liệu đồng nhất có E và υ tương đương Đồ án sử dụng lý thuyết tấm của Kirchoff để giải bài toán 4.1 Lý thuyết tấm Kirchoff Giả... số mô đun (E) và hệ số poisson (υ) E và υ phụ thuộc vào Vs (% về thể tích graphene có trong vật liêu nanocomposite) Bảng thông số vật liệu : Nhựa nền Epoxy Vs (%) 0 2.5 5 E (Gpa) 5 90.3 166.616 10 306.19 5 15 429.96 7 20 541.0 3 υ SVTH: Hoàng văn Tình Lớp : Sản Phẩm Chất Dẻo – K51 26 26 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Lê Minh Quý 3.2 Mô tả bài toán Mô hình tấm được tính toán trong đồ án có kích thước (200x160x4)(nm)... chống uốn của tấm 4.2Kết quả bài toán theo phương pháp giải tích Với giả thiết của bài toán tấm hình chữ nhật có kích thước (Lxbxh) tương ứng là chiều dài, chiều rộng và bề dày tấm Tấm được ngàm chặt 4 cạnh nên điều kiện biên là độ võng và góc xoay tại 4 cạnh bằng 0 Lực phân bố đều trên bề mặt có độ lớn P=1x10-12(N/nm2), L=200(nm), b=160(nm), h= 4(nm) Phương trình vi phân mặt trung bình của tấm (Lxbxh)... dài, hệ số góc uốn, hệ số chống xoắn ∆r , ∆θ , ∆Φ là dộ giãn dài, sự thay đổi góc uốn và góc xoắn 2.2.2 Quan hệ giữa các thông số của mặt cắt ngang và lực Trong Graphene, các nguyên tử các bon liên kết với nhau bằng mối liên kết đồng hóa trị dưới dạng lưới hexa trên tấm Graphene Mỗi liên kết này có đặc điểm liên kết là chiều dài liên kết và góc liên kết trong không gian 3 chiều Khi Graphene chịu tác . mặt cắt ngang của thanh tại nút 1 quanh trục Ox, Oy, Oz. θ x2 , θ y2 , θ z2 lần lượt là góc xoay của mặt cắt ngang của thanh tại nút 2 quanh trục Ox,. ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại