Evaluation of mechanical properties for pristine and defective carbon nanotubes and nanocomposites

The existence of defects has a significant influence on mechanical properties of an analyzed structure. In the paper, a 3D nonlinear finite element model for single-walled carbon nanotubes with atom vacancy defects is proposed. The model is consistent with molecular mechanics' formulations. Assuming defects in CNTs, their influence on nanocomposites properties is discussed. The deformation process is described with the help of an iterative, non-linear procedure and the effective properties are evaluated with the use of the homogenization theory. The results are presented in the form of the strain-stress relations. The reduction by 19% for the failure stress and by 32% for the failure strain for defective CNT is predicted. It is observed that the failure strain for a pristine CNT is lower comparing with the case when a defective CNT reinforces nanocomposites.

Istnienie defektów znacząco wpływa na własności mechaniczne analizowanej struktury. W prezentowanej pracy przedstawiono numeryczne modele nanorurek węglowych z defektami struktury oraz ich wpływ na własności nanokompozytów. Rozpatrywane modele bazują na potencjałach oddziaływań międzyatomowych oraz metodzie elementów skończonych. Efektywne własności mechaniczne określono na podstawie teorii homogenizacji a proces deformacji opisano wykorzystując procedury nieliniowe. W wyniku przeprowadzonej analizy zaobserwowano 19% spadek naprężeń i 32% spadek odkształceń nanorurki węglowej w stosunku do struktury bez defektów. Efekt obniżenia własności sprężystych nastąpił także w analizowanych nanokompozytach wzmacnianych strukturami z defektami.