Αριθμητικά πρότυπα σε ατομική κλίμακα για την ανάλυση της ηλεκτρομηχανικής συμπεριφοράς νανοσωληνών άνθρακα και νανοσύνθετων πολυμερών

Abstract

The goal of this thesis is the prediction of the coupled electromechanical properties of carbon nanotubes (CNTs) and CNT-doped polymers. First, the mechanical properties of CNTs are predicted using an innovative approach that combines molecular mechanics and analysis with finite elements. Next, using the tight-binding method, the electrical properties of carbon nanotubes are predicted with sufficient accuracy. Combination of these two models describes the coupled electromechanical response of individual CNTs. Finally, the microstructure of nanodoped polymers is investigated along with the changes induced by application of mechanical loading. The combination of all these models leads to the prediction of the coupled electromechanical response of CNT-doped polymers. All developed models and predictions have been successfully correlated to theoretical data and experimental measurements of other researchers, found in the open literature.

Σκοπός της διατριβής είναι η πρόβλεψη των συζευγμένων ηλεκτρομηχανικών ιδιοτήτων νανοσωλήνων άνθρακα και πολυμερών ενισχυμένων με αυτούς. Αρχικά γίνεται η πρόβλεψη των μηχανικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων με χρήση μιας νέας μεθόδου που συνδυάζει εξισώσεις μοριακής μηχανικής και ανάλυσης με πεπερασμένα στοιχεία. Στη συνέχεια γίνεται πρόβλεψη με ικανοποιητική ακρίβεια των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων με χρήση της μεθόδου Ισχυρού Δεσμού. Ο συνδυασμός των δύο μοντέλων οδηγεί στην πρόβλεψη της ηλεκτρομηχανικής απόκρισης μεμονωμένων νανοσωλήνων. Τέλος, γίνεται μελέτη της μικροδομής των νανοσύνθετων υλικών καθώς και πως αυτή επηρεάζεται από την επιβολή μηχανικής παραμόρφωσης. Ο συνδυασμός όλων αυτών των μοντέλων οδηγεί στην πρόβλεψη της συζευγμένης ηλεκτρομηχανικής απόκρισης ενός νανοσύνθετου πολυμερούς ενισχυμένου με νανοσωλήνες άνθρακα. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν και προβλέψεις που έγιναν, επιβεβαιώθηκαν μέσω σύγκρισης με θεωρητικές προβλέψεις και πειραματικές μετρήσεις άλλων διακεκριμένων ερευνητών.