Ce teorii si concepte noi avanseaza acest proiect ?
Proiectul se focalizeaza pe: (1) dezvoltarea unei noi tehnici de nanoindentare si masurare bazate pe o teorie noua si anume teoria nelocala a mediului continuu [14] si teoria solitonilor [15], [16], [17] in analiza si caracterizarea amortizarii si a proprietatilor elastice si vascoelastice [18], [19]; (2) dezvoltarea unei instrumentatii de nanoindentare adecvate pentru masurarea capacitatii de amortizare la nanoscara si inclusiv softul corespunzator. Proiectul se bazeaza pe rezultatele anterioare ale directorului de proiect si ale echipei de cercetare in analiza testelor de nanoindentare pentru filme subtiri din diamondlike carbon si filme subtiri modulate [13]. S-au studiat structuri honeycomb si structuri hexagonale chirale (noncentosimetrice) cu coeficient Poisson negativ)(fig.1), placi compozite din aluminiu si material auxetic (figs.2 si 3) si nanotuburi de carbon, franghii din nanotuburi de carbon (figs.4 si 5) [20-22]. Detalii in [23] si [24]. Nanotuburile de carbon, incepand cu structura lor moleculara si legile constitutive si terminand cu incovoierea si ruperea lor, care are loc prin propagarea unui defect modelat prin lipsa unui atom din peretele tubului. In urma descoperirii de catre Curl, Kroto si Smalley (premiul Nobel pe anul 1996), a fost inteleasa metoda covalenta de formare a nanotuburilor de carbon, care au fost descoperite in anul 1991 de catre Iijima. Nanotuburile de carbon sunt rezistente din punct de vedere mecanic (de 100 ori mai rezistent decat otelul), sunt usoare (densitatea este de 2 ori mai mica decat a aluminiului), au conductivitate excelenta (de 5 ori mai mare decat a argintului) si sunt in miniatura, exemple de fire atomice utilizate la fabricarea compozitelor.
Fig.1. O structura honeycomb (stanga) si o structura hexagonala chirala (noncentosimetrica) cu coeficient Poisson negativ (dreapta) [20], [21].
Fig. 2. O placa compozita (aluminiu si material auxetic) [20], [21].
Fig. 3. Variatia modulului de elasticitate al lui Young in raport cu coeficientul lui Poisson pentru un material auxetic [20], [21].
Fig. 4. A cross section of a zigzag single-walled nanotube of carbon [22].
Fig. 5. Generarea deformatiilor solitonice la incovoierea nanotubului de carbon [22]..
Obiectivele acestui proiect contribuie la implementarea unei viziuni noi in nanotehnologie, si anume bazata pe ideia simularii la scara atomica si de a construi pe baza acestei s8imulari noi tipuri de experimente, de exemplu pentru studiul compozitelor ceramica-nanotuburi de carbon, nanocontacte, nanopanouri acustice cu materiale auxetice si nanotuburi de carbom. Vom intelege mai bine in ce mod masuratorile prin nanoindentare pot fi utilizate aplicand teoriile cuplate atomistic-mesoscopic-macroscopic pentru a rezulta explicatii plauzibile pentru fenomenele complexe care insotesc nanoindentarea si in mod datele experimentale pot fi interpretate si cum se pot initia noi tipuri de experimente. Cunosterea curenta si instrumentatia existenta esueaza cand este vorba de proprietatile de amortizare a materoalelor la nivel de 10 nm sau mai putin. De exemplu, amortizarea vibratiilor devine o cerinta importanta in proiectarea vehiculelor si a structurilor aerospatiale. Consideratii de design presupun minimizarea amplitudinilor de rezonanta si extinderea duratei de viata ai materialelor si a structurilor supuse la oboseala. In present, din analiza dinamica se obtin informatii limitate privind amortizarea pentru materialele cu amortizare redusa, insa pentru materialele cu amortizare mare cum este cauciucul, rezultatele sunt departe de realitate. Un rezultat incorect privind capacitatea de amortizare a materialelor poate cauza schimbari de design care pot cauza reduceri nedorite ale rezistentei si rigiditatii. Noul concept consta propus in acest proiect consta in construirea unei linii de indentere care se misca cu viteza v, unele din ele actionand pe fiecare parte a suprafatei probei in directii opuse, sau actionand pe o parte, cealalata parte a probei fiind incastrata (fig.6). In acest fel este posibila evaluarea nu numai a proprietatilor elastice dar si a capacitatii de amortizare, libere de efectul de substrat. Principalel rezultate al;e echipei de cercetare care stau la baza prezaentei cercetari sunt ● Modelarea locala a contactului fara frecare ● Modelarea locala a contactului cu frecare ● Dezvoltarea de modele ale suprafetelor in contact la scara continua macroscopica. Modelul Derjaguin, Muller si Toporov ● Teoria nelocala de tip Eringen ● Modelarea nelocala a contactului elastic ● Problema lui Boussinesq. Solutia lui Sneddon ● Ecuatiile integrale duale ale lui Sneddon. Solutii exacte ale stantei plane de forma arbitrara ● Dezvoltarea de modele la scara mezoscopica si la scara nanoscopica ● Teorii cuplate atomistic-continue ● Analiza fenomenului de adsorbtie ● Rezolvarea numerica a problemei indentarii cu ajutorul elementelor finite
O metoda eficienta de determinare a proprietatilor mecanice de rezistenta si amortizare ale materialelor consta in indentarea unei suprafete-esantion cu un indenter de geometrie cunoscuta. Echipa a studiat problema indentarii unui semispatiu elastic izotrop cu un indenter rigid cu baza plana, problema cunoscuta si sub numele de problema stantei cu baza plana (fig. 7) .
Fig.6. Reprezentarea schematica a conceptului a doua inedentere care se misca cu aceeasi viteza in aceeasi directie pe suprafata probei.
Fig. 7. Indentarea unei suprafete-esantion cu un indenter plan.
[1] Lakes, R. S., Experimental micro mechanics methods for conventional and negative Poisson's ratio cellular solids as Cosserat continua, J. Engineering Materials and Technology, 113, 148–155, 1991.
[2] Iijima, S., Helical microtubules of graphitic carbon, Nature, London, 354, 56–58, 1991.
[3] J.L.Hay, G.M. Pharr, Instrumentated indentation testing, ASM Handbook vol. 6 Mechanical testing and evaluation 2000, pp.231-242.
[4] De Silva, Clarence W., Vibration: Fundamentals and Practice, Boca Raton: CRC Press LLC, 2000.
[5] K.L. Johnson, Contact Mechanics, Cambridge University Press, Cambridge, MA, 1985.
[6] W.D., Calliste. Jr., Materials science and engineering - An introduction, New York: John Wiley & Sons, Inc., 1996.
[7] W.C. Oliver, G.M. Pharr, An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments, J. Mater. Res., vol 7, no. 6, 1992, pp 1564–1583.
[8] J.L.Loubet, B.N. Lucas, W.C. Oliver, Some measurements of viscoelastic properties with the help of nanoindentation, NIST Special Publication 896: International Workshop on Instrumented Indentation, 1995, p 31–34.
[9]V.Chiroiu, M.Mihailescu, L.Munteanu, ch.3, Applications of smart materials in engineering, in Advanced Engineering in Applied Mechanics (eds. L.Vladareanu, T.Sireteanu), 2006.
[10] A.C. Eringen, Continuum mechanics at the atomic scale, Crystal Lattice Defects, 7, 1977, pp.109–130.
[11] A.C. Eringen, On nonlocal continuum thermodynamics, Modern developments in thermodynamics, (ed. B. Gal-Or), John Wiley and Sons, New York,1974, pp.121–142.
[12] D. Dumitriu, V. Chiroiu, On the modelling of nanocontacts, Rev. Roum. Sci. Tech. - Méc. Appl., 2006.
[13] V.Chiroiu, D.Dumitriu, Post-doctoral program for devepment of new coupled atomistic-continuu theories with applications to modeling of nanocontacts and indentation, CEEX 1531/ report, 2006.
[14] L.Munteanu, St. Donescu, Introduction to Soliton Theory: Applications to Mechanics, Book Series Fundamental Theories of Physics, vol.143, Kluwer Academic Publishers, 2004.
[15] M.Mihailescu, V.Chiroiu, Advanced mechanics on shells and intelligent structures, Ed. Academiei, Bucuresti, 2004
[16]St.Donescu, L.Munteanu, ch.4, The effect of damping on the stability of dynamical systems, in Topics in Applied Mechanics, vol.2, Ed. Academiei, pp.85-117, 2004 (eds. V.Chiroiu , T.Sireteanu).
[17] P.Stiuca, V.Chiroiu, C.M.Nicolescu, ch.12, On the mechanical behavior of nanostructured materials, in Topics in Applied Mechanics, vol.2, Ed. Academiei, pp. 355-391, 2004 (eds. V. Chiroiu, T.Sireteanu).
[18]V.Chiroiu, C.Chiroiu, Probleme inverse in mecanica, Ed. Academiei, 2003
[19] D.Dumitriu, L.Munteanu, V.Chiroiu, L.Solomon, On the nonlocal theory of nanoindentation, Al 4-lea Simpozion Mecatronica, Microtehnologii si Materiale Noi, Univ. Valahia din Targoviste, 7-8 dec. 2006, Revista Romana Mecanica Fina, Optica si Mecatronica, nr. 31 / 2006, pp.219-224.
[20] L.Munteanu, St.Donescu, On the complexity and analysis of auxetic systems, Trends and Challenges in Applied Mathematics ICTCAM 2007, Bucharest 20-23 June 2007.
[21] St. Donescu, V.Chiroiu, L.Munteanu, On the evaluation of the Young’s modulus for a laminated periodic composite structure based on auxetic materials, Rev. Roum. Sci,. Techn. serie Mecanique Appl., 2007.
[22] N.-D. Stanescu, L. Munteanu, V. Chiroiu, N. Pandrea, Sisteme dinamice. Teorie si aplicatii, vol.1, Editura Academiei, 2007.
[23] V. Chiroiu, C. Chiroiu, Inverse problems in mechanics, Springer, Series of Solid Mechanics and Its Applications (ed. Gladwell, G.M.L)
[24]V.Chiroiu, P.Stiuca, L.Munteanu, St.Donescu, Introducere in nanomecanica, Editura Academiei, 2005.
|
