Нано-двутавровая балка

Нано-I-балки представляют собой наноструктуры, характеризующиеся Ɪ -образным поперечным сечением , напоминающим букву Ɪ в макроскопическом масштабе. Обычно они изготавливаются из гибридных органических / неорганических материалов и обладают уникальными свойствами, которые делают их пригодными для различных применений в структурной наномеханике . ^{[1] [2]}

По сравнению с традиционными углеродными нанотрубками , ^[3] нано-I-образные балки демонстрируют более высокую структурную жесткость, сниженное индуцированное напряжение и более длительный срок службы. Они обладают потенциалом превзойти углеродные нанотрубки в различных приложениях, предлагая улучшенные механические свойства и улучшенную функциональность. Было обнаружено, что вариант Wide Flange Nano-I-beam обеспечивает еще более высокую структурную жесткость и более длительный срок службы по сравнению с Equal Flange & Web Nano-I-beam. ^[4]

Нано-двутавровые балки названы в честь двутавровых балок, используемых в строительстве и проектировании конструкций . Двутавровая балка, также известная как двутавровая балка ^[5] или универсальная балка, является широко используемым конструктивным элементом благодаря высокому отношению прочности к весу и структурной устойчивости. ^[6] Форма двутавровой балки с ее центральной вертикальной стенкой и горизонтальными полками обеспечивает превосходную несущую способность и сопротивление изгибу и кручению.

Вдохновленная структурными свойствами двутавровых балок, нано-двутавровая балка была разработана как наномасштабный аналог, использующий то же самое двутавровое поперечное сечение. ^[7] Нано-двутавровая балка наследует геометрические характеристики макроскопической двутавровой балки, но в гораздо меньшем масштабе, что делает ее пригодной для применения в области нанотехнологий ^[8]

Метод Ритца ^[9] , основанный на теории оболочек ^[10], часто используется для динамического анализа углеродных нанотрубок (УНТ). Метод Ритца, связанный с принципом Гамильтона , используется для определения равновесного состояния и минимизации энергетического функционала консервативной структурной системы, подвергающейся кинематически допустимому росту или деформации. Принцип Гамильтона учитывает взаимодействие различных энергетических элементов, включая кинетическую энергию (T), энергию деформации (U) и потенциальную энергию (WP). Применяя метод Ритца, основанный на принципе Гамильтона, энергия деформации U одно- и многослойных нано-I-балок (SWNT) формулируется как:

${\displaystyle U={\int }_{V}({\sigma }_{\rho }{\epsilon }_{\rho }+{\sigma }_{\theta }{\epsilon }_{\theta }+{\sigma }_{z}{\epsilon }_{z}+{\sigma }_{\rho \theta }{\epsilon }_{\rho \theta }+{\sigma }_{\rho z}{\epsilon }_{\rho z}+{\sigma }_{\theta z}{\epsilon }_{\theta z})dV}$

При рассмотрении кинетической энергии наблюдения часто производятся в движущейся системе отсчета. Для учета этого используется производная по времени наблюдаемых переменных в неподвижной системе отсчета (ρ, θ, z). В результате формулировка кинетической энергии, обозначаемая как T, учитывает эти соображения.

${\displaystyle T={\frac {1}{2}}\,\gamma {\int }_{V}^{V}[{({\frac {\partial u}{\partial t}})}^{2}+{({\frac {\partial v}{\partial t}})}^{2}+{({\frac {\partial w}{\partial t}})}^{2}]\,dV}$

Как УНТ, так и двутавровые балки обладают различными свойствами и преимуществами, и их пригодность зависит от конкретного применения и требований. УНТ обладают исключительными механическими свойствами, включая высокую прочность на разрыв и жесткость. ^[11] Они имеют высокое отношение прочности к весу, что делает их легкими, но прочными. УНТ также демонстрируют превосходную электро- и теплопроводность , что делает их пригодными для применения в электронике и хранении энергии . Однако проблемы в крупномасштабном производстве, потенциальные проблемы токсичности и трудности в достижении равномерной дисперсии в материалах являются некоторыми недостатками, связанными с УНТ.

Среди вариаций гибридной органической/неорганической нано-двутавровой балки исследования подчеркивают хорошие характеристики широкополочной нано-двутавровой балки. ^[3] Она демонстрирует достойную структурную жесткость, сниженное индуцированное напряжение и увеличенный срок службы по сравнению с равнополочной и перемычкой нано-двутавровой балкой. Это отличие делает вариацию широкополочной особенно желательной для различных применений, включая нанотепловые двигатели и датчики, как привлекательный вариант для экономически эффективного и высокопроизводительного материала.

В конечном счете, выбор между CNT и Nano-I-beams зависит от конкретных требований приложения, учитывая такие факторы, как масштаб, требования к производительности и экономическая эффективность. Каждый материал имеет свои собственные сильные стороны и ограничения, и выбор должен основываться на тщательной оценке желаемых свойств и ограничений текущего проекта.