مرور تحلیلی نانوکامپوزیت‌ها: ادغام مدل‌سازی چندمقیاسی، میکرو–مکانیک و سینتیک سنتز نانوذرات با بررسی اثرات ماتریسی بر عملکرد مکانیکی در کاربردهای پیشرفته

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
گروه مهندسی هوافضا، دانشکده تحصیلات تکمیلی، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، تهران، ایران
چکیده
نانومواد به دلیل خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی منحصربه‌فرد، جایگاه ویژه‌ای در علوم مواد و کاربردهای پیشرفته صنعتی یافته‌اند. در این مقاله مروری، نانومواد بر اساس ابعاد ساختاری به چهار دسته صفر، یک، دو و سه‌بعدی طبقه‌بندی شده و رفتار مکانیکی آن‌ها در قالب نانوکامپوزیت‌ها بررسی شده است. تمرکز اصلی بر نانومواد کربنی از جمله گرافن و نانولوله‌های کربنی تک‌جداره و چندجداره، و نیز نانومواد سرامیکی و مغناطیسی نظیر TiO₂، Al₂O₃، SiO₂، Fe₃O₄ و Fe₂O₃ است. خواص مکانیکی شامل مدول یانگ، مدول برشی و ضریب پواسون، همراه با مؤلفه‌های ماتریس سختی الاستیک، در چارچوب مدل‌های تحلیلی و میکرومکانیکی تحلیل شده‌اند. به‌ویژه، قانون اختلاط و مدل هالپین–سای برای پیش‌بینی رفتار الاستیکی نانوکامپوزیت‌ها به‌کار گرفته شده و اثر پارامترهایی همچون درصد حجمی، جهت‌گیری، نسبت ابعادی و کیفیت پراکندگی نانوذرات مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین، روش‌های سنتز شامل سل–ژل، هم‌رسوبی و رسوب بخار شیمیایی (CVD) از نظر تأثیر بر اندازه، مورفولوژی و یکنواختی ذرات بررسی شده‌اند. نتایج مطالعات نشان می‌دهد که بهینه‌سازی ساختار بین‌فازی و توزیع یکنواخت نانوفازها موجب افزایش مدول یانگ، استحکام کششی و سختی کامپوزیت می‌شود. افزون بر این، لحاظ‌کردن اثرات مقیاس نانو و اصلاح مدل‌های کلاسیک با رویکردهای چندمقیاسی، دقت پیش‌بینی رفتار الاستیکی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. در پایان، کاربردهای صنعتی در پوشش‌های مقاوم سایشی، حسگرهای مغناطیسی، سامانه‌های الکترومکانیکی و صنایع هوافضا بررسی و چالش‌های موجود در پراکندگی و مدل‌سازی چندمقیاسی تحلیل شده‌اند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Analytical review of nanocomposites: integrating multiscale modeling, micromechanics, and kinetics of nanoparticle synthesis with investigation of matrix effects on mechanical performance in advanced applications

نویسندگان English

Mohammad Khakbaz
Mahdi Dabouee
Department of Aerospace Engineering, Faculty of Graduate Studies, Shahid Sattari University of Aeronautical Sciences and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Nanomaterials have gained a special place in materials science and advanced industrial applications due to their unique mechanical, electrical and thermal properties. In this review article, nanomaterials are classified into four categories based on structural dimensions: zero, one, two and three dimensions, and their mechanical behavior in the form of nanocomposites is investigated. The main focus is on carbon nanomaterials, including graphene and single-walled and multi-walled carbon nanotubes, as well as ceramic and magnetic nanomaterials such as TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, Fe₃O₄ and Fe₂O₃. The mechanical properties, including Young's modulus, shear modulus and Poisson's ratio, along with the components of the elastic stiffness matrix, are analyzed within the framework of analytical and micromechanical models. In particular, the mixing law and the Halpin-Say model are used to predict the elastic behavior of nanocomposites, and the effects of parameters such as volume fraction, orientation, aspect ratio, and dispersion quality of nanoparticles are evaluated. Also, synthesis methods including sol-gel, co-precipitation, and chemical vapor deposition (CVD) are investigated for their effects on particle size, morphology, and uniformity. The results of the studies show that optimizing the interfacial structure and uniform distribution of nanophases increases the Young's modulus, tensile strength, and stiffness of the composite. In addition, considering nanoscale effects and modifying classical models with multiscale approaches significantly increases the accuracy of predicting elastic behavior. Finally, industrial applications in wear-resistant coatings, magnetic sensors, electromechanical systems, and aerospace industries are reviewed, and the challenges in dispersion and multiscale modeling are analyzed.

کلیدواژه‌ها English

Nanomaterials
matrix effects
Halpin-Tsai model
synthesis methods
mechanical applications

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 02 خرداد 1405

  • تاریخ دریافت 11 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 08 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 02 خرداد 1405
  • تاریخ اولین انتشار 02 خرداد 1405
  • تاریخ انتشار 02 خرداد 1405