Нано-двутавровый луч

Нано-Двутавровые балки — это наноструктуры, характеризующиеся I- образным поперечным сечением , напоминающим букву I в макроскопическом масштабе. Обычно они изготавливаются из гибридных органических и неорганических материалов и обладают уникальными свойствами, которые делают их пригодными для различных применений в строительной наномеханике .

Вращающаяся одностенная зигзагообразная углеродная нанотрубка

Типовое сечение двутавра

По сравнению с традиционными углеродными нанотрубками , Нано-Двутавровые балки обладают более высокой структурной жесткостью, меньшим наведенным напряжением и более длительным сроком службы. У них есть потенциал превзойти углеродные нанотрубки в различных областях применения, предлагая улучшенные механические свойства и улучшенную функциональность. Было обнаружено, что вариант Nano-I-образной балки с широкой полкой обеспечивает еще более высокую структурную жесткость и более длительный срок службы по сравнению с Nano-I-балкой с равной полкой и Web.

Происхождение имени

Нано-двутавровые балки названы в честь двутавровых балок, используемых в строительстве и проектировании конструкций . Двутавровая балка, также известная как двутавровая балка. или универсальная балка, является широко используемым конструктивным элементом благодаря высокому соотношению прочности и веса и устойчивости конструкции. Форма двутавровой балки с ее центральной вертикальной стенкой и горизонтальными полками обеспечивает отличную несущую способность и устойчивость к изгибу и кручению.

Вдохновленная структурными свойствами двутавровых балок, нано-двутавровая балка была разработана как наноразмерный аналог, использующий то же I-образное поперечное сечение. Нано-двутавровая балка наследует геометрические характеристики макроскопической двутавровой балки, но в гораздо меньшем масштабе, что делает ее подходящей для применения в области нанотехнологий.

Кинетика и рост нано-двутаврового пучка

метод Ритца , на основе теории оболочек, часто используется для динамического анализа углеродных нанотрубок (УНТ). Метод Ритца, связанный с принципом Гамильтона , применяется для определения состояния равновесия и минимизации функционала энергии консервативной структурной системы, претерпевающей кинематически допустимый рост или деформацию. Принцип Гамильтона учитывает взаимодействие различных элементов энергии, включая кинетическую энергию (T), энергию деформации (U) и потенциальную энергию (WP). Применяя метод Ритца, основанный на принципе Гамильтона, энергия деформации U одно- и многостенных нано-двутавровых балок (SWNT) формулируется как:

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

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

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

Применение и пригодность

И УНТ, и двутавровые балки обладают различными свойствами и преимуществами, а их пригодность зависит от конкретного применения и требований. УНТ обладают исключительными механическими свойствами, включая высокую прочность на разрыв и жесткость. Они имеют высокое соотношение прочности к весу, что делает их легкими, но прочными. УНТ также обладают превосходной электро- и теплопроводностью , что делает их пригодными для применения в электронике и хранении энергии . Однако проблемы крупномасштабного производства, потенциальные проблемы токсичности и трудности в достижении равномерного диспергирования внутри материалов являются некоторыми недостатками, связанными с УНТ.

Среди вариантов гибридной органической/неорганической нано-двутавровой балки исследования подчеркивают хорошие характеристики широкофланцевой нано-двутавровой балки. Он демонстрирует достойную структурную жесткость , уменьшенное наведенное напряжение и увеличенный срок службы по сравнению с Equal Flange & Web Nano-I-Beam. Это различие делает вариант с широким фланцем особенно желательным для различных применений, включая нанотепловые двигатели и датчики, как привлекательный вариант для экономичного и высокопроизводительного материала.

В конечном счете, выбор между УНТ и двутавровыми нано-балками зависит от конкретных требований приложения с учетом таких факторов, как масштаб, требования к производительности и экономическая эффективность. Каждый материал имеет свои сильные стороны и ограничения, и выбор должен основываться на тщательной оценке желаемых свойств и ограничений текущего проекта.