عنوان

مطالعه رفتار تغییر شکل و مکانیزم های استحکام بخشی نانوکامپوزیت های آلومینیوم-گرافن به روش شبیه سازی دینامیک مولکولی

پ۲۶۶۷۹

per

مطالعه رفتار تغییر شکل و مکانیزم های استحکام بخشی نانوکامپوزیت های آلومینیوم-گرافن به روش شبیه سازی دینامیک مولکولی

مریم جازم شبستری

مهندسی مکانیک

۱۴۰۰

۹۲ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

مهندسی مواد-گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی

۱۴۰۰/۱۱/۲۷

چکیده: نانوکامپوزیت¬های آلومینیوم-گرافن با داشتن خواص ویژه در مقایسه با فلزات تقویت نشده نظیر نسبت استحکام و مدول ویژه بالاتر، ضریب انبساط حرارتی کمتر و مقاومت بالاتر در برابر سایش، خستگی حرارتی و خزش در صنایع مختلف هوا فضا، الکترونیک و خودرو می¬توانند کاربردهای بالقوه¬ای داشته باشند. با اینکه مطالعات تجربی، اصلی¬ترین ابزار تهیه و بررسی این نانوکامپوزیت¬هاست اما فقدان آنالیز دقیق، ناتوانی تجهیزات آزمایشگاهی و هزینه¬های بالای عملیاتی سبب شده تا نقش گرافن در تکامل ریزساختاری و خواص این نانوکامپوزیت¬ها به درستی درک نشود. در این پژوهش، مطالعه رفتار تغییر شکل و مکانیزم¬های استحکام بخشی نانوکامپوزیت¬های آلومینیوم-گرافن به روش شبیه¬سازی دینامیک مولکولی انجام شد. بدین منظور، ابتدا مکان اولیه و سرعت اولیه اتم¬ها و پتانسیل برهمکنشی تعیین و یک ساختار اولیه از نمونه مورد مطالعه با استفاده از شبیه¬ساز لمپس ایجاد شد. پس از متعادل¬سازی حرارتی ساختار، شبیه¬سازی آزمون کشش تک محوری در جهت موازی با صفحه گرافن (y) و جهت عمود بر صفحه گرافن (z)، در دمای محیط انجام شد. نتایج حاصل از نمودار تنش-کرنش آزمون کشش تک محوری در جهت موازی با صفحه گرافن نشان دادند، افزودن گرافن به زمینه آلومینیومی سبب شد تا مدول الاستیک و استحکام کششی نانوکامپوزیت آلومینیوم-گرافن در مقایسه با زمینه فلزی بدون تقویت کننده، به مقدار قابل ملاحظه¬ای افزایش یابد. همچنین در بارگذاری¬های عمود بر جهت¬گیری لایه گرافن در نانوکامپوزیت¬های آلومینیوم-گرافن، خواص مکانیکی این نانوکامپوزیت¬ها دچار افت شد. به منظور بررسی اثر ضخامت لایه گرافن بر خواص مکانیکی نانوکامپوزیت¬های آلومینیوم –گرافن، ساختار اتمی نانوکامپوزیت¬های آلومینیوم–چند لایه گرافن توسط شبیه¬ساز لمپس ایجاد شد و نتایج تست کشش در جهت y نشان داد، در اثر افزایش ضخامت لایه گرافن در نانوکامپوزیت آلومینیوم –گرافن، استحکام کششی این نانوکامپوزیت¬ها افزایش می¬یابد اما مدول الاستیک این نانوکامپوزیت¬ها چندان تغییری نمی¬کند. به منظور مطالعه مکانیزم¬های استحکام بخشی نانوکامپوزیت¬های آلومینیوم–گرافن، آنالیز همسایه مشترک (CNA) و آنالیز استخراج نابجایی (DXA) برای تجسم و آشکار سازی حرکت نابجایی¬ها با استفاده از نرم افزار گرافیکی Ovito انجام شد. نشان داده شد، با افزایش تنش و ورود به مرحله تغییر شکل پلاستیک، نابجایی¬ها در ساختار نانوکامپوزیت¬ها ایجاد شده و لایه¬های گرافن به عنوان مانعی در برابر حرکت نابجایی¬ها عمل می¬کنند و سبب افزایش استحکام کششی این نانوکامپوزیت¬ها می¬شوند. همچنین، چگالی بالای نابجایی¬های موجود در ساختار این نانوکامپوزیت¬ها باعث شد همچون یک پل، بارگذاری مکانیکی را از زمینه نرم به تقویت کننده مستحکم، منتقل کنند. بنابراین، با افزایش تنش فراتر از تنش تسلیم، شکست نمونه نانوکامپوزیتی توسط لایه گرافن کنترل می¬شود.

Abstract: Aluminum-Graphene nanocomposites with special properties compared to unreinforced metals such as higher strength and specific modulus ratio, lower thermal expansion coefficient and higher wear resistance, thermal fatigue and creep in various aerospace, electronics and automotive industries. They can have potential applications. Although experimental studies are the main tool for the preparation and study of these nanocomposites, but the lack of accurate analysis, inability of laboratory equipment and high operating costs have caused the role of Gr in the microstructural evolution and properties of these nanocomposites is not well understood. In this study, the deformation behavior and strengthening mechanisms of Al-Gr nanocomposites were studied by molecular dynamics simulation method. For this purpose, first the initial location and initial velocity of the atoms and the interaction potential were determined and a prototype structure of the study sample was created using the Lammps simulator. After thermal balancing of the structure, the uniaxial tensile test was simulated in the direction parallel to the Gr plate (y) and perpendicular to the Gr plate (z) at ambient temperature. The results of the stress-strain curves of the uniaxial tensile test in the direction parallel to the Gr plate showed that the addition of Gr to the Al substrate caused a significant modulus of elasticity and tensile strength of the Al-Gr nanocomposite compared to the metal substrate without reinforcement increase. Also, in loads perpendicular to the orientation of the Gr layer in Al-Gr nanocomposites, the mechanical properties of these nanocomposites are reduced. Also, due to the increase in the thickness of the Gr layer in the Al-Gr nanocomposite, the tensile strength of these nanocomposites increases, but the elastic modulus of these nanocomposites does not change much. In order to study the strengthening mechanisms of Al-Gr nanocomposites, Common Neighbor Analysis (CNA) and Displacement Extraction Analysis (DXA) were performed to visualize and detect misalignment using Ovito graphic software. It was shown that with increasing stress and entering the plastic deformation stage, dislocations are created in the structure of nanocomposites and Gr layers act as a barrier against the movement of dislocations and increase the tensile strength of these nanocomposites. Also, they transfer the high density of dislocations in the structure of these nanocomposites like a mechanical loading bridge from a soft surface to a strong reinforced. Therefore, by increasing the stress beyond the yield stress, the failure of the nanocomposite sample is controlled by the Gr layer.

Molecular dynamics simulation of deformation behavior and strengthening mechanisms of Aluminum-Graphene nanocomposites

‏جازم شبستری،

‏مریم

تهيه کننده

‏اصغرزاده،

محمدزاده،

‏حامد

‏رقیه

استاد راهنما

استاد مشاور

‏تبریز