Evaluation of mechanical properties for pristine and defective carbon nanotubes and nanocomposites

• Autorzy: Muc A. , Chwał M. , Banaś A.

Warianty tytułu

PL

Ocena własności mechanicznych nanorurek węglowych oraz nanokompozytów z defektami struktury i bez defektów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The existence of defects has a significant influence on mechanical properties of an analyzed structure. In the paper, a 3D nonlinear finite element model for single-walled carbon nanotubes with atom vacancy defects is proposed. The model is consistent with molecular mechanics' formulations. Assuming defects in CNTs, their influence on nanocomposites properties is discussed. The deformation process is described with the help of an iterative, non-linear procedure and the effective properties are evaluated with the use of the homogenization theory. The results are presented in the form of the strain-stress relations. The reduction by 19% for the failure stress and by 32% for the failure strain for defective CNT is predicted. It is observed that the failure strain for a pristine CNT is lower comparing with the case when a defective CNT reinforces nanocomposites.

PL

Istnienie defektów znacząco wpływa na własności mechaniczne analizowanej struktury. W prezentowanej pracy przedstawiono numeryczne modele nanorurek węglowych z defektami struktury oraz ich wpływ na własności nanokompozytów. Rozpatrywane modele bazują na potencjałach oddziaływań międzyatomowych oraz metodzie elementów skończonych. Efektywne własności mechaniczne określono na podstawie teorii homogenizacji a proces deformacji opisano wykorzystując procedury nieliniowe. W wyniku przeprowadzonej analizy zaobserwowano 19% spadek naprężeń i 32% spadek odkształceń nanorurki węglowej w stosunku do struktury bez defektów. Efekt obniżenia własności sprężystych nastąpił także w analizowanych nanokompozytach wzmacnianych strukturami z defektami.

Słowa kluczowe

EN

carbon nanotube; nanocomposites; vacancy defects; numerical analysis

PL

nanorurki węglowe; nanokompozyty; defekty; analiza numeryczna

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 61, nr 1
• Strony: 135--144
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Muc A.

autor

Chwał M.

autor

Banaś A.

• Cracow University of Technology, Institute of Machine Design, 24 Warszawska Str., 31-155 Cracow, Poland,

Bibliografia

• [1] D. Troya et al., Carbon nanotube fracture - differences between quantum mechanical mechanisms and those of empirical potentials, Chem. Phys. Lett., 382, 2003, 133-141.
• [2] S. L. Mielke et al., The role of vacancy defects and holes in the fracture of carbon nanotubes, Chem. Phys. Lett., 390, 2004, 413-420.
• [3] K. M. Liew et al., On the study of elastic and plastic properties of multi-walled carbon nanotubes under axial tension using molecular dynamics simulation, Acta Mater., 52, 2004, 2521-2527.
• [4] S. L. Mielke et al., The effects of extensive pitting on the mechanical properties of carbon nanotubes, Chem. Phys. Lett., 446, 2007, 128-132.
• [5] S. Zhang et al., Mechanics of defects in carbon nanotubes: Atomistic and multiscale simulations, Phys. Rev. B, 71, 2005, 115403.
• [6] W. H. Duan et al., Molecular mechanics modelling of carbon nanotube fracture, Carbon, 45, 2007, 1769-1776.
• [7] K. I. Tserpes et al., A progressive fracture model for carbon nanotubes, Compos. Part B, 37, 2006, 662-669.
• [8] M. B. Nardelli et al., Brittle and ductile behaviour in carbon nanotubes, Phys. Rev. Lett., 81, 1998, 4656-4659.
• [9] J. Lu et al., Analysis of localized failure of single-wall carbon nanotubes, Comput. Mater. Sci., 35, 2006, 432-441.
• [10] J. Song et al., Stone-Wales transformation: Precursor of fracture in carbon nanotubes, Int. J. Mech. Sci., 48, 2006, 1464-1470.
• [11] P. Zhang et al., An atomistic-based continuum theory for carbon nanotubes: analysis of fracture nucleation, J. Mech. Phys. Sol., 52, 2004, 977-998.
• [12] H. D. Wagner et al., Stress-induced fragmentation of multiwall carbon nanotubes in a polymer matrix, Appl. Phys. Lett., 72, 1998, 188-190.
• [13] O. Lourie et al., Transmission electron microscopy observations of fracture of single-wall carbon nanotubes under axial tension, Appl. Phys. Lett., 73, 1998, 3527-3529.
• [14] D.-L. Shi et al., Multiscale analysis of fracture of carbon nanotubes embedded in composites, Int. J. Fract., 134, 2005, 369-386.
• [15] C. Li et al., Multiscale modelling of compressive behaviour of carbon nanotube/polymer composites, Compos. Sci. and Technol., 66, 2006, 2409-2414.
• [16] A. Muc, M. Chwał, Mechanical models of composites based on carbon nanotubes (in Polish), Kompozyty, 4, 2004, 432-438.
• [17] A. Muc, M. Jamróz-Chwał, Homogenization models for carbon nanotubes, Mech. Comp. Mat., 40, 2004, 101-106.
• [18] M. Chwał, The homogenization of the mechanical properties of the composite materials reinforced with carbon nanotubes (in Polish), PhD Thesis, Cracow University of Technology, 2007.
• [19] A. Muc, Design and identification methods of effective mechanical properties for carbon nanotubes, Mat. Design, 31, 2010, 1671-1675.
• [20] D. W. Brenner, Empirical potential for hydrocarbons for use in simulating the chemical vapour deposition of diamond films, Phys. Rev., B, 42, 1990, 9458-9471.