Autorzy: M. A. Forghani, R. Abdellahi, M. Esmaeili, R. Alizadehsani, P. Pławiak
Streszczenie:
Naukowcy opracowali nowy model matematyczny, który opisuje zachowanie mikroskopijnych cylindrycznych powłok kompozytowych wzmacnianych grafenem (FG-GPLRC) w warunkach wysokiej temperatury. Zastosowano zmodyfikowaną teorię naprężeń par sprzężonych (MCST), uwzględniającą wpływ rozmiaru mikrostruktur na ich drgania. Badania wykazały, że większa zawartość grafenu i jego rozmieszczenie przy powierzchniach powłoki zwiększają jej sztywność i zmniejszają nieliniowość drgań. Natomiast wzrost temperatury prowadzi do silniejszych i bardziej nieliniowych rezonansów. Wyniki te mogą być wykorzystane w projektowaniu precyzyjnych mikrourządzeń pracujących w ekstremalnych warunkach.
Wprowadzenie: drgania w świecie mikro
W świecie mikrosystemów inżynieryjnych, takich jak mikroskopijne czujniki czy elementy w urządzeniach MEMS, istotne staje się poznanie, jak materiały zachowują się w ekstremalnych warunkach – na przykład przy wysokiej temperaturze i małych rozmiarach. Zespół naukowców z Iranu i Polski opracował nowatorski model drgań cienkich cylindrycznych powłok wykonanych z zaawansowanych materiałów kompozytowych wzmacnianych grafenem.
Grafen w roli głównej
Zastosowany materiał to tzw. kompozyt funkcjonalnie gradientowy (FG-GPLRC), w którym grafenowe płytki (GPL) są rozmieszczane nierównomiernie przez grubość powłoki. Grafen, dzięki swoim unikalnym właściwościom – ogromnej wytrzymałości, przewodnictwu cieplnemu i elastyczności – doskonale nadaje się do wzmacniania takich struktur.
Co badano?
Autorzy zbadali tzw. nieliniowy rezonans pierwotny – sytuację, w której system zaczyna silnie reagować na bodziec zewnętrzny o częstotliwości zbliżonej do jego własnej. W skali mikro takie drgania są bardziej skomplikowane niż w skali makro. Pojawiają się efekty nieliniowości oraz zależności od rozmiaru (których nie da się opisać klasyczną mechaniką).
Nowa teoria: zmodyfikowana teoria naprężeń par sprzężonych (MCST)
Zastosowano MCST – zmodyfikowaną teorię, która uwzględnia wpływ rozmiaru obiektu na jego odpowiedź dynamiczną. Kluczowym parametrem jest tutaj tzw. długość charakterystyczna materiału, która wprowadza efekty mikrostrukturalne do modelu. Dzięki temu możliwe było dokładne przewidzenie, jak zachowują się powłoki z grafenem, gdy podgrzewane są od środka i z zewnątrz.
Co odkryto?
- Więcej grafenu = większa sztywność, mniejsza nieliniowość
Im więcej grafenu znajduje się przy zewnętrznych i wewnętrznych powierzchniach powłoki, tym bardziej usztywnia się ona i mniej podatna jest na nieliniowe zachowania. - Temperatura wzmacnia drgania
Wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się sztywność materiału, co prowadzi do większych amplitud drgań. Wysokie temperatury wzmacniają też nieliniowy „efekt sprężyny” – tzw. hardening. - Kształt i rozmiar grafenu mają znaczenie
Wydłużenie płytek grafenowych w jednej osi lub ich spłaszczenie wpływa na to, jak silnie powłoka reaguje na drgania . Może zwiększać lub zmniejszać tzw. efekt skoku (nagłe przejście między stabilnymi stanami). - Skala ma znaczenie
Im mniejszy obiekt (relatywnie do długości charakterystycznej materiału), tym większe efekty nieliniowe i trudniejsza do przewidzenia odpowiedź.
Znaczenie wyników
Dzięki nowemu modelowi naukowcy i inżynierowie mogą lepiej projektować mikrosystemy wrażliwe na temperaturę, jak np. mikrozawory, rezonatory czy czujniki drgań. Badania te umożliwiają tworzenie bardziej wytrzymałych, precyzyjnych i energooszczędnych urządzeń nowej generacji.
Autorzy: M. A. Forghani, R. Abdellahi, M. Esmaeili, R. Alizadehsani, P. Pławiak
Niniejsze streszczenie odnosi się do artykułu Modified Couple Stress Theory for nonlinear primary resonance of FG-GPLRC cylindrical shells in thermal environment