Nano-composites- Graduate level

Course: Nanocompositesدرس: نانوکامپوزیت Grade Level: Graduate سطح: تحصیلات تکمیلی/کارشناسی ارشد

Subject: Mechanics/Materials Science/Polymersموضوع: مکانیک/پلیمر/علم مواد

Instructor: Mehdi Karevan, ME Department

Course Description:

مبحث نانوکامپوزیت ها(Nanocomposites) یکی از زمینه های کاربردی نوین در تحقیقات و صنعت بوده و عملاً یکی از علومی است که دانشجویان رشته های مربوط کاربرد مفاهیم و آنچه تاکنون در طول سال های تحصیل فراگرفته اند را تجربه کرده و بکار می گیرند. دانش علمی و مهارت های تکنولوژیک نانوکامپوزیت ها در حیطه علوم بین رشته ای (Interdisciplinary science) مکانیک، علم مواد، دانش پلیمر/ شیمی، و ساخت بوده و زیر مجموعه مواد پیشرفته (Advanced materials) قرار می گیرد. این درس ابتدا به مفاهیم پایه و سپس پیشرفته کامپوزیت ها می پردازد و سپس وارد بحث اصلی این درس ، نانوکامپوزیت ها، با تمرکز بر مسائل و چالش های موجود پیش رو برای توسعه این مواد از ترکیبات(Components) نانوکامپوزیت ها، طراحی تا ساخت/فرآیند می پردازد. اهداف اصلی این درس شامل بررسی کامپوزیت های متداول (Traditional) و پیشرفته چند منظوره (Advanced multi-functional) در زمینه های رفتارهای فیزیکی/مکانیکی (Physical/mechanical properties)، فرآیند، و طراحی بویژه کامپوزیت های مایکرو (تقویت شده با فاز مقیاس مایکروMicro-size ) و تمرکز برنانوکامپوزیت های پلیمری(Polymer nanocomposites, PNCs) (پلیمرهای تقویت شده با نانو مواد مقیاس نانو Nano-scale) به عنوان جدیدترین مبحث کامپوزیت ها می باشد. بطور خلاصه، ارائه این درس به سه قسمت کلی تقسیم می گردد:

Part A: دانش پایه مواد سازنده کامپوزیت ها، مکانیک کامپوزیت ها و روابط مایکرومکانیک، روابط ساختاری کامپوزیت ها، بررسی رفتارهای ماکرو و مایکرو الاستیک برای تعمیم در مقیاس نانو، مکانیک و معیارهای شکست مایکرو کامپوزیت ها و ...

Part B: معرفی نانوکامپوزیت ها، مواد سازنده و مقیاس ها در ابعاد نانو، معرفی نانو ذرات و خواص آنها، پلیمرها و خواص آنها، چالش های فعلی و راهبرد ها در نانوکامپوزیت ها، روابط مایکرومکانیک برای طراحی و توسعه نانوکامپوزیت ها، مفاهیم و چالش های مهم در فصل مشترک نانوفیلر/پلیمر Interface/interphase ، بررسی رفتارهای ماکرو و مایکرو الاستیک و تعمیم در نانوکامپوزیت ها، روش ها و راهکارهای اندازه گیری خواص نانوکامپوزیت ها در مقیاس نانو تا ماکرو نانوکامپوزیت های چند منظوره، کاربرد ها و روش های مدل تحلیلی و شبیه سازی محاسباتی نانوکامپوزیت ها.

Part C: بررسی، مرور و بحث بر روی تحلیل ها، تکنولوژی، دانش جدید و تحقیقاتی تئوری و تجربی اخیر در زمینه نانوکامپوزیت ها با کمک مفاهیم و دانش فراگرفته شده در بخش A و B

این درس برای متخصصان و مهندسان رشته هایی نظیر مهندسی مکانیک، مواد و هوافضا که علاقمند به آشنایی با مباحث مقدماتی و پیشرفته زمینه علوم مواد نانوکامپوزیتی و یا مایل به گسترش دانش خود در زمینه کامپوزیت ها هستند طراحی شده است.

Students who successfully complete the course will demonstrate the following outcomes by tests, homework, and design project.

1. Develop knowledge of:

o Composite materials - what are they and how do they differ from other classes of materials?

o Nature of reinforcing materials - fibers, whiskers, platelets, etc.

o The properties of fiber and matrix materials used in commercial composites, as well as some common manufacturing techniques.

o Conventional fiber/polymer materials used in the manufacturing of composites.

o A basic understanding about the linear elasticity with emphasis on the difference between isotropic and anisotropic material behavior.

Recent developments in composites, including polymer matrix composites.

o Issues at the filler/matrix interface and the interphase region.

o Overview of mechanical and physical properties of a range of composite materials systems

o Mechanisms of composite deformation and fracture

o Fabrication of composite materials, and how this relates to microstructure and properties

o Mechanics of orthotropic lamina and laminates, and ply failure theories.

o The composite material characterization methods

o How new materials are developed and become accepted by industry.

An exposure to recent developments in composites, including polymer matrix composites.

2. Develop skills in:

o Assessment of the applicability of a specific material for a specific application.

o Rational selection of materials.

o Predicting the elastic properties of both long and short fiber composites based on the constituent properties.

o Mechanics analysis of composite materials.

o Self-directed learning, incorporating researching properties of commercial materials.

o The common design guidelines when designing using composite materials.

o Design/analysis of simple laminated structural elements

o Development of composites towards using composites in aerospace and other targeted designs.

Prerequisites:

Materials science

Composites

Grading Policy:

Assigned homework:	10%
Mid-term test:	30%
Group project presentation:	20%
Final exam:	40%

· No reference materials or books will be allowed in any tests or final exam

· Homework and projects will be due at the beginning of the next class period unless otherwise specified.

· No “make-up” or “extra credit” assignments will be given

Final group project will involve the following elements:
- pick an application for which composites are a likely candidate
- develop in depth report which addresses:
- possible materials systems
- rational selection of materials
- detailed design of composite architecture
- analysis of micro-mechanics including (if important): elasticity limits, fracture toughness properties, fatigue properties, fracture, etc...

Projects will be presented orally and in written form and it should be optimized for the presentation of about 20 minutes. There will be several groups of 2-3 students per group. Team work will be judged as well.

Time:

Saturdays 8-9:30

Mondays 8-9:30

Files: