탄소나노튜브(CNT)와 그래핀 같은 나노카본은 기계적 성질이 탁월하고 직경 대 길이의 비가 커서 고분자 복합재료의 강화재로 이상적인 것으로 생각된다. 그동안 나노탄소의 특성을 복합재료에 그대로 전환시키기 위한 많은 연구들이 있었지만 여전히 해결되지 않은 많은 문제, 예를 들면 효율적인 공정의 개발 등이 숙제로 남아있다. 이 총설에서는 CNT와 그래핀을 이용하는 나노탄소 고분자 복합재료 분야에서 이룬 그 간의 발전을 살펴보았으며, 여러 가지 나노탄소 고분자 복합재료에서 기계적인 강화가 어느 정도 이루어지는지 비교, 분석하고 향후 연구개발 방향을 전망하였다.
The main purpose of this research work is to investigate the free vibration of conical shell structures reinforced by graphene platelets (GPLs) and the elastic properties of the nanocomposite are obtained by employing Halpin-Tsai micromechanics model. To this end, a shell model is developed based on Donnell's theory. To solve the problem, the analytical Galerkin method is employed together with beam mode shapes as weighting functions. Due to importance of boundary conditions upon mechanical behavior of nanostructures, the analysis is carried out for different boundary conditions. The effects of boundary conditions, semi vertex angle, porosity distribution and graphene platelets on the response of conical shell structures are explored. The correctness of the obtained results is checked via comparing with existing data in the literature and good agreement is eventuated. The effectiveness and the accuracy of the present approach have been demonstrated and it is shown that the Donnell's shell theory is efficient, robust and accurate in terms of nanocomposite problems.
Liu, Wen-qi;Liu, Shan-jun;Fan, Ming-yu;Tian, Wei;Wang, Ji-peng;Tahouneh, Vahid
Steel and Composite Structures
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제35권2호
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pp.295-306
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2020
This paper deals with free vibration analysis of non-uniform column resting on elastic foundations and subjected to follower force at its free end. The internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix according to different patterns. The model is proposed with material parameters varying in the thickness of column to achieve graded distributions in both porosity and nanofillers. The elastic modulus of the nanocomposite is obtained by using Halpin-Tsai micromechanics model. The differential quadrature method as an efficient and accurate numerical approach is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. It is observed that the maximum vibration frequency obtained in the case of symmetric porosity and GPL distribution, while the minimum vibration frequency is obtained using uniform porosity distribution. Results show that for better understanding of mechanical behavior of nanocomposite column, it is crucial to consider porosities inside the material structure.
최근 다양한 분야에서 활용하기 위한 고분자 나노복합소재 개발이 활발히 진행되고 있다. 2차원 나노소재 중 물성이 우수하다고 알려진 신소재인 그래핀나노플레이트를 활용하여 고분자 기지와 복합소재를 제조할 때 강한 응집현상이 일어나기 때문에 우선적으로 분산 문제를 해결하고자 하는 요구가 높아지고 있다. 본 리뷰 논문에서는 그래핀나노플레이트의 다양한 분산법을 사용하여 분산성이 향상된 탄소 나노복합소재 제조에 대한 연구를 소개하고자 한다. 고분산성을 통해 물성이 향상된 탄소 나노복합소재는 앞으로 더욱 다양한 분야에서 널리 활용될 것이다.
High-performance mixed-matrix membranes that comprise both zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) and graphene oxide (GO) were synthesized with a solution casting technique to realize excellent $CO_2/CH_4$ separation. The incorporation of ZIF-8 nanocrystals alone in ODPA-TMPDA polyimide can be used to significantly enhance $CO_2$ permeability compared with that of pure ODPA-TMPDA. Meanwhile, the addition of a GO nanostack alone in ODPA-TMPDA contributes to improved $CO_2/CH_4$ selectivity. Hence, a composite membrane that contains both fillers displays significant enhancements in $CO_2$ permeability (up to 60%) and $CO_2/CH_4$ selectivity (up to 28%) compared with those of pure polymeric membrane. Furthermore, in contrast to the ZIF-8 mixed-matrix membrane, which showed decreased mechanical stability, it was found that the incorporation of GO could improve the mechanical strength of mixed-matrix membranes. Overall, the synergistic effects of the use of both fillers together are successfully demonstrated in this paper. Such significant improvements in the mixed-matrix membrane's $CO_2/CH_4$ separation performance and mechanical strength suggest a feasible and effective approach for potential biogas upgrading and natural gas purification.
The current research deals with, stability/instability and cylindrical composite nano-scaled shell's resonance frequency filled by graphene nanoplatelets (GPLs) under various thermal conditions (linear and nonlinear thermal loadings). The piece-wise GPL-reinforced composites' material properties change through the orientation of cylindrical nano-sized shell's thickness as the temperature changes. Moreover, in order to model all layers' efficient material properties, nanomechanical model of Halpin-Tsai has been applied. A functionally modified couple stress model (FMCS) has been employed to simulate GPLRC nano-sized shell's size dependency. It is firstly investigated that reaching the relative frequency's percentage to 30% would lead to thermal buckling. The current study's originality is in considering the multifarious influences of GPLRC and thermal loading along with FMCS on GPLRC nano-scaled shell's resonance frequencies, relative frequency, dynamic deflection, and thermal buckling. Furthermore, Hamilton's principle is applied to achieve boundary conditions (BCs) and governing motion equations, while the mentioned equations are solved using an analytical approach. The outcomes reveal that a range of distributions in temperature and other mechanical and configurational characteristics have an essential contribution in GPLRC cylindrical nano-scaled shell's relative frequency change, resonance frequency, stability/instability, and dynamic deflection. The current study's outcomes are practical assumptions for materials science designing, nano-mechanical, and micromechanical systems such as micro-sized sensors and actuators.
Fortas, Lahcene;Messai, Abderraouf;Merzouki, Tarek;Houari, Mohammed Sid Ahmed
Steel and Composite Structures
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제43권1호
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pp.31-54
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2022
This paper is concerned with the buckling behavior of functionally graded graphene reinforced porous nanocomposite beams based on the finite element method (FEM) using two variables trigonometric shear deformation theory. Both Young's modulus and material density of the FGP beam element are simultaneously considered as grading through the thickness of the beam. The finite element approach is developed using a nonlocal strain gradient theory. The governing equations derived here are solved introducing a 3-nodes beam element, and then the critical buckling load is calculated with different porosity distributions and GPL dispersion patterns. After a convergence and validation study to verify the accuracy of the present model, a comprehensive parametric study is carried out, with a particular focus on the effects of weight fraction, distribution pattern of GPL reinforcements on the Buckling behavior of the nanocomposite beam. The effects of various structural parameters such as the dispersion patterns for the graphene and porosity, thickness ratio, boundary conditions, and nonlocal and strain gradient parameters are brought out. The results indicate that porosity distribution and GPL pattern have significant effects on the response of the nanocomposite beams, and the results allows to identify the most effective way to achieve improved buckling behavior of the porous nanocomposite beam.
Due to the unclear mechanism of the influence of temperature on the resonance problem of doubly curved shells, this article aims to explore this issue. When the ambient temperature rises, the composite structure will expand. If the thermal effects are considered, the resonance response will become more complex. In the design of structure, thermal effect is inevitable. Therefore, it is of significance to study the resonant behavior of doubly curved shell structures in thermal environment. In view of this, this paper extends the previous work (She and Ding 2023) to the case of the nonlinear principal resonance behavior of graphene platelet reinforced metal foams (GPLRMFs) doubly curved shells in thermal environment. The effect of uniform temperature field is taken into consideration in the constitutive equation, and the nonlinear motion control equation considering temperature effect is derived. The modified Lindstedt Poincare (MLP) method is used to obtain the resonance response of doubly curved shells. Finally, we study the effects of temperature changes, shell types, material parameters, initial geometric imperfection and prestress on the forced vibration behaviors. It can be found that, as the temperature goes up, the resonance position can be advanced.
Nonlinear forced vibration properties of three-layered plates containing graphene platelets (GPL) filled skins and an auxetic core have been inquired within the present paper. Owning reduced weight as well as reduced stiffness, rectangle-shaped auxetic cores have been frequently made from novel techniques such as additive manufacturing. Here, the rectangle shape core is amplified via the graphene-filled layers knowing that the layers possess uniform and linear graphene gradations. The rectangle shape core has the equivalent material specifications pursuant to relative density value. The sandwich plate is formulated pursuant to Kirchhoff plate theory while a numerical trend has been represented to discretize the plate equations. Next, an analytical trend has been performed to establish the deflection-frequency plots. Large deflections, core density and GPL amplification have showed remarkable impacts on dynamic response of three-layered plates.
The impact problem of imperfect beams is crucial in engineering fields such as water conservancy and transportation. In this paper, the low velocity impact of graphene reinforced metal foam beams with geometric defects is studied for the first time. Firstly, an improved Hertz contact theory is adopted to construct an accurate model of the contact force during the impact process, while establishing the initial conditions of the system. Subsequently, the classical theory was used to model the defective beam, and the motion equation was derived using Hamilton's principle. Then, the Galerkin method is applied to discretize the equation, and the Runge Kutta method is used for numerical analysis to obtain the dynamic response curve. Finally, convergence validation and comparison with existing literature are conducted. In addition, a detailed analysis was conducted on the sensitivity of various parameters, including graphene sheet (GPL) distribution pattern and mass fraction, porosity distribution type and coefficient, geometric dimensions of the beam, damping, prestress, and initial geometric defects of the beam. The results revealed a strong inhibitory effect of initial geometric defects on the impact response of beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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