Huang, Qinghua;Yu, Xinping;Lv, Jun;Zhou, Jilie;Elvenia, Marischa Ray
Steel and Composite Structures
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v.45
no.3
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pp.409-423
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2022
Nowadays, there is a high demand for great structural implementation and multifunctionality with excellent mechanical properties. The porous structures reinforced by graphene platelets (GPLs) having valuable properties, such as heat resistance, lightweight, and excellent energy absorption, have been considerably used in different engineering implementations. However, stiffness of porous structures reduces significantly, due to the internal cavities, by adding GPLs into porous medium, effective mechanical properties of the porous structure considerably enhance. This paper is relating to vibration analysis of fluidconveying cantilever porous graphene platelet reinforced (GPLR) pipe with fractional viscoelastic model resting on foundations. A dynamical model of cantilever porous GPLR pipes conveying fluid and resting on a foundation is proposed, and the vibration, natural frequencies and primary resonant of such a system are explored. The pipe body is considered to be composed of GPLR viscoelastic polymeric pipe with porosity in which Halpin-Tsai scheme in conjunction with the fractional viscoelastic model is used to govern the construction relation of nanocomposite pipe. Three different porosity distributions through the pipe thickness are introduced. The harmonic concentrated force is also applied to the pipe and the excitation frequency is close to the first natural frequency. The governing equation for transverse motions of the pipe is derived by the Hamilton principle and then discretized by the Galerkin procedure. In order to obtain the frequency-response equation, the differential equation is solved with the assumption of small displacement, damping coefficient, and excitation amplitude by the multiple scale method. A parametric sensitivity analysis is carried out to reveal the influence of different parameters, such as nanocomposite pipe properties, fluid velocity and nonlinear viscoelastic foundation coefficients, on the primary resonance and linear natural frequency. Results indicate that the GPLs weight fraction porosity coefficient, fractional derivative order and the retardation time have substantial influences on the dynamic response of the system.
Transition metal oxide-based materials have mainly been studied as electrodes for energy storage devices designed to meet essential energy demands. Among transition metal oxide-based materials, hydrated vanadium pentoxide (V2O5·nH2O), a vanadium oxide material, has demonstrated great electrochemical performance in the electrodes of energy storage devices. Graphene oxide (GO), a carbon-based material with high surface area and high electrical conductivity, has been added to V2O5·nH2O to compensate for its low electrical conductivity and structural instability. Here, V2O5·nH2O/GO nanobelts are manufactured with water without adding acid to ensure that the GO is uniformly dispersed, using a microwave-assisted hydrothermal synthesis. The resulting V2O5·nH2O/GO nanobelts exhibited a high specific capacitance of 206 F/g and more stable cycling performance than V2O5·nH2O without GO. The drying conditions of the carbon paper electrodes also resulted in more stable cycling performance when conducted at high vacuum and high temperature, compared with low vacuum and room temperature conditions. The improvement in electrochemical performance due to the addition of GO and the drying conditions of carbon paper electrodes indicate their great potential value as electrodes in energy storage devices.
The loss of the sulfur cathode material through dissolution of the polysulfide into electrolyte causes a significant capacity reduction of the lithium-sulfur cell during the charge-discharge reaction, thereby debilitating the electrochemical performance of the cell. We addressed this problem by using a chemical and physical approach called reduction of polysulfide dissolution through direct coating functional inorganic (graphene oxide) or organic layer (polyethylene oxide) on electrode, since the deposition of external functional layer can chemically interact with polysulfide and physically prevent the leakage of lithium polysulfide out of the electrode. Through this approach, we obtained a composite electrode for a lithium-sulfur battery (sulfur: 60%) coated with uniform and thin external functional layers where the thin external layer was coated on the electrode by solution coating and drying by a subsequent heat treatment at low temperature (${\sim}80^{\circ}C$). The external functional layer, such as inorganic or organic layer, not only alleviates the dissolution of the polysulfide electrolyte during the charging/discharging through physical layer formation, but also makes a chemical interaction between the polysulfide and the functional layer. As-formed lithium-sulfur battery exhibits stable cycling electrochemical performance during charging and discharging at a reversible capacity of 700~1187 mAh/g at 0.1 C (1 C = 1675 mA/g) for 30 cycles or more.
The main purpose of this research work is to investigate the critical buckling load of functionally graded (FG) porous plates with graphene platelets (GPLs) reinforcement using generalized differential quadrature (GDQ) method at thermal condition. It is supposed that the GPL nanofillers and the porosity coefficient vary continuously along the plate thickness direction. Generally, the thermal distribution is considered to be nonlinear and the temperature changing continuously through the thickness of the nanocomposite plates according to the power-law distribution. To model closed cell FG porous material reinforced with GPLs, Halpin-Tsai micromechanical modeling in conjunction with Gaussian-Random field scheme are used, through which mechanical properties of the structures can be extracted. Based on the third order shear deformation theory (TSDT) and the Hamilton's principle, the equations of motion are established and solved for various boundary conditions (B.Cs). The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples and validity of the present study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature. A special attention is drawn to the role of GPLs weight fraction, GPLs patterns through the thickness, porosity coefficient and distribution of porosity on critical buckling load. Results reveal that the importance of thermal condition on of the critical load of FGP-GPL reinforced nanocomposite plates.
This paper examines the thermal post-buckling behaviors of graphene-reinforced metal matrix composite (GRMMC) laminated cylindrical panels which possess in-plane negative Poisson's ratio (NPR) and rest on an elastic foundation. A panel consists of GRMMC layers of piece-wise varying graphene volume fractions to obtain functionally graded (FG) patterns. Based on the MD simulation results, the GRMMCs exhibit in-plane NPR as well as temperature-dependent material properties. The governing equations for the thermal post-buckling of panels are based on the Reddy's third order shear deformation shell theory. The von Karman nonlinear strain-displacement relationship and the elastic foundation are also included. The nonlinear partial differential equations for GRMMC laminated cylindrical panels are solved by means of a singular perturbation technique in associate with a two-step perturbation approach and in the solution process the boundary layer effect is considered. The results of numerical investigations reveal that the thermal post-buckling strength for (0/90)5T GRMMC laminated cylindrical panels can be enhanced with an FG-X pattern. The thermal post-buckling load-deflection curve of 6-layer (0/90/0)S and (0/90)3T panels of FG-X pattern are higher than those of 10-layer (0/90/0/90/0)S and (0/90)5T panels of FG-X pattern.
Lithium-ion batteries (LIBs) are powerful energy storage devices with several advantages, including high energy density, large voltage window, high cycling stability, and eco-friendliness. However, demand for ultrafast charge/discharge performance is increasing, and many improvements are needed in the electrode which contains the carbon-based active material. Among LIB electrode components, the conductive additive plays an important role, connecting the active materials and enhancing charge transfer within the electrode. This impacts electrical and ionic conductivity, electrical resistance, and the density of the electrode. Therefore, to increase ultrafast cycling performance by enhancing the electrical conductivity and density of the electrode, we complexed Ketjen black and graphene and applied conductive agents. This electrode, with the composite conductive additives, exhibited high electrical conductivity (12.11 S/cm), excellent high-rate performance (28.6 mAh/g at current density of 3,000 mA/g), and great long-term cycling stability at high current density (88.7 % after 500 cycles at current density of 3,000 mA/g). This excellent high-rate performance with cycling stability is attributed to the increased electrical conductivity, due to the increased amount of graphene, which has high intrinsic electrical conductivity, and the high density of the electrode.
Many of small-scale devices should be designed to tolerate high temperature changes. In the present study, the states of buckling and stability of nano-scale cylindrical shell structure integrated with piezoelectric layer under various thermal and electrical external loadings are scrutinized. In this regard, a multi-layer composite shell reinforced with graphene nano-platelets (GNP) having different patterns of layer configurations is modeled. An outer layer of piezoelectric material receiving external voltage is also attached to the cylindrical shell for the aim of observing the effects of voltage on the thermal buckling condition. The cylindrical shell is mathematically modeled with first-order shear deformation theory (FSDT). Linear elasticity relationship with constant thermal expansion coefficient is used to extract the relationship between stress and strain components. Moreover, minimum virtual work, including the work of the piezoelectric layer, is engaged to derive equations of motion. The derived equations are solved using numerical method to find out the effects of temperature and external voltage on the buckling stability of the shell structure. It is revealed that the boundary condition, external voltage and geometrical parameter of the shell structure have notable effects on the temperature rise required for initiating instability in the cylindrical shell structure.
Liu, Wanjun;Do, In-Hwan;Fukushima, Hiroyuki;Drzal, Lawrence T.
Carbon letters
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v.11
no.4
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pp.279-284
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2010
Graphene is one of the most promising materials for many applications. It can be used in a variety of applications not only as a reinforcement material for polymer to obtain a combination of desirable mechanical, electrical, thermal, and barrier properties in the resulting nanocomposite but also as a component in energy storage, fuel cells, solar cells, sensors, and batteries. Recent research at Michigan State University has shown that it is possible to exfoliate natural graphite into graphite nanoplatelets composed entirely of stacks of graphene. The size of the platelets can be controlled from less than 10 nm in thickness and diameters of any size from sub-micron to 15 microns or greater. In this study we have investigated the influence of melt compounding processing on the physical properties of a polyamide 6 (PA6) nanocomposite reinforced with exfoliated graphite nanoplatelets (xGnP). The morphology, electrical conductivity, and mechanical properties of xGnP-PA6 nanocomposite were characterized with electrical microscopy, X-ray diffraction, AC impedance, and mechanical properties. It was found that counter rotation (CNR) twins crew processed xGnP/PA6 nanocomposite had similar mechanical properties with co-rotation (CoR) twin screw processed or with CoR conducted with a screw design modified for nanoparticles (MCoR). Microscopy showed that the CNR processed nanocomposite had better xGnP dispersion than the (CoR) twin screw processed and modified screw (MCoR) processed ones. It was also found that the CNR processed nanocomposite at a given xGnP content showed the lowest graphite X-ray diffraction peak at $26.5^{\circ}$ indicating better xGnP dispersion in the nanocomposite. In addition, it was also found that the electrical conductivity of the CNR processed 12 wt.% xGnP-PA6 nanocomposite is more than ten times higher than the CoR and MCoR processed ones. These results indicate that better dispersion of an xGnP-PA6 nanocomposite is attainable in CNR twins crew processing than conventional CoR processing.
Park, Ju Young;Lee, Bom Yi;Cha, Hye Jin;Kim, Youn Cheol
Applied Chemistry for Engineering
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v.26
no.2
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pp.173-177
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2015
In this study, effects of both the grafted ABS-g-MAH and the added graphene oxide (GO) on the impact strength of polycarbonate (PC)/poly(acrylonitrile-butadiene-styrene) (ABS) blends were discussed. The PC/ABS blends and PC/ABS/GO composites were fabricated by using twin screw extruder with ABS-g-MAH as a compatibilizer. The ABS-g-MAH was prepared by melting extrusion of ABS and maleic anhydride (MAH) with DCP (dicumyl peroxide) as an initiator using twin screw extruder and the synthesis of ABS-g-MAH was confirmed by the presence of carbonyl group (C=O) peak at $1780cm^{-1}$ of FT-IR spectrum. According to the thermal, rheological, and impact properties of PC/ABS blends, 5 phr (parts per hundred resin) of compatibilizer was chosen as an optimum content for the PC/ABS/GO composites. It was observed that the thermal decomposition of ABS/PC/GO composites increased with GO contents, but there was no significant changes or a decrease in the impact strength. Also the composite fabricated by ABS/GO showed small increase in the impact strength. From the result of the dynamic rheometer to observe the processing properties, the complex viscosities of PC/ABS blend including the compatibilizer increased, but the complex viscosities of composites added GO were not changed.
Donghyeon Lee;Ga In Cho;Hyung Mi Lim;Mantae Kim;Dong-Jun Kwon
Composites Research
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v.37
no.3
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pp.209-214
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2024
Graphene oxide (GO), known for its high stiffness, thermal conductivity, and electrical conductivity, is being utilized as a reinforcement in nanocomposite materials. This study evaluates the mechanical properties of epoxy nanocomposites incorporating GO and edge modified GO (E-GO), which has hydroxyl groups substituted only on its edges. GO/E-GO was uniformly dispersed in epoxy resin using ultrasonic dispersion, and mechanical properties were assessed through tensile testing. The results showed that the addition of nanoparticles increased both tensile strength and toughness. The tensile strength of the epoxy without nanoparticles was 74.4 MPa, while the highest tensile strength of 90.7 MPa was observed with 0.3 wt% E-GO. Additionally, the modulus increased from 2.55 GPa to 3.53 GPa with the addition of nanoparticles. Field emission scanning electron microscopy of the fracture surface revealed that the growth of cracks was impeded by the nanoparticles, preventing complete fracture and causing the cracks to split in multiple directions. E-GO, with surface treatment only on the edges, exhibited higher mechanical properties than GO due to its superior dispersion and surface treatment effects. These results highlight the importance of nanoparticle surface treatment in developing high-performance nanocomposite materials.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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