Geri Dön

Prediction of mechanical behavior of carbon- based nano structures

Karbon esaslı nano yapıların mekanik davranışlarının belirlenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 322842
  2. Yazar: CENGİZ BAYKASOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ATA MUĞAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 172

Özet

Temel olarak kovalent bağ ile bağlı karbon atomlarının hegzagonal kafes yapısı içinde değişik formlarda sıkıca paketlenmesi ile oluşan grafen tabakalarının, karbon nanotüplerin ve nanokonilerin mükemmel mekanik, termal ve elektriksel özellikleri, onları nano elektro-mekanik, nano sensör ve nano kompozit sistem uygulamaları için potansiyel adaylar yapmıştır. Karbon esaslı bu malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi, bu yapıların tasarımı ve kontrolü için oldukça önemli ve yararlıdır. Bu malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için deneysel ölçümler ve hesaplamalı yöntemler kullanılmaktadır. Deneysel olarak bu yapıların mekanik özelliklerinin elde edilmesi oldukça yüksek maliyetli ve zordur. Bundan dolayı, günümüzde hesaplamalı yöntemler karbon esaslı malzemelerin mekanik özelliklerinin tespitinde oldukça sık kullanılmaktadır. Kuantum mekanik, moleküler dinamik, moleküler mekanik yöntemleri, nano malzemelerin mekanik özelliklerinin tespiti için sıkça kullanılan hesaplamalı yöntemlerdir. Kuantum mekanik ve moleküler dinamik modelleme yöntemlerini kullanılarak oldukça doğru sonuçlar elde edilebilmesine rağmen, bu yöntemlerin hesaplama yükü çok fazladır ve pratikte sadece belirli sayıda atom içeren sistemler için kullanılabilirler. Atomsal dünyadan alınan bilgiler kullanılarak, moleküler mekanik temelli, hesaplama yükü çok daha az ve dolayısıyla çok daha fazla atom içeren modelleme yaklaşımları kurulabilir. Bu tezde grafen tabakalarının, karbon nanotüplerin, karbon nanokonilerin temel mekanik özellikleri, geliştirilen moleküler mekanik temelli sonlu elemanlar yaklaşımları ve çok ölçekli bir moleküler mekanik / sürekli ortamlar mekaniği yaklaşımı kullanılarak elde edilmiştir.Kabul edilen moleküler mekanik temelli sonlu elemanlar modelleri, karbon esaslı malzemelerin dış kuvvetlerin etkisi altında, uzay kafes yapısı gibi davrandığı varsayımına dayanmaktadır. Karbon atomları sonlu elemanlar düğüm noktaları karbon atomları arasındaki kovalent bağlar ise Euler-Bernoulli kiriş elemanları kullanılarak modellenmiştir.Karbon esaslı bu nanoyapıların küçük ve büyük yerdeğiştirme problemleri incelenirken sırasıyla harmonik ve geliştirilmiş Morse moleküler mekanik potansiyelleri kullanılmıştır. Küçük şekil değiştirme problemleri için bilinmeyen Euler-Bernoulli kiriş eleman parametreleri moleküler mekanik harmonik enerji terimleriyle ve benzer yapısal mekanik enerji terimlerinin eşitlenmesi yoluyla elde edilmiştir. Elde edilen bu değerler kullanılarak tek katmanlı karbon nano tüplerin, elastiklik modülleri, kayma modülleri, Poisson oranları, burkulma yükleri ve doğal frekans değerleri; grafen tabakalarının benzer şekilde elastiklik modülleri, kayma modülleri, Poisson oranları ve doğal frekans değerleri ve karbon nanokonilerin yatay ve dikey burkulma yükleri ve doğal frekanslar değerleri elde edilmiştir. Yapılan analizlerin sonucunda, karbon nanotüplerin ve grafen tabakalarının 1 TPa civarında elastiklik modülüne, 0.5 TPa civarında kayma modülüne ve 1.5 THz varan doğal frekans değerlerine sahip olduğu ve ayrıca karbon nanokonilerin kritik burkulma yüklerinin ve doğal frekans değerlerinin, karbon nanotüplerin ve grafen tabakalarının kritik burkulma yükleri ve/veya doğal frekans değerlerinden birçok analizde yüksek olduğu bulunmuştur. Yapılan analizler sonucunda elde edilen bu sonuçların mevcut literatürdeki deneysel ve sayısal çalışma sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür.Bu tezde ayrıca bir grafen tabakasının dinamik davranışı geliştirilen moleküler mekanik temelli bir sonlu elemenlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Literatürde bu yöntem kullanılarak grafen karbon esaslı nano yapıların titreşim özellikleri incelenirken global kütle matrisi genellikle karbon çekirdeklerinin kütleleri kafes yapıların düğüm noktalarına yapısal kütle olarak tatbik edilmesi ile elde edilir. Bu yaklaşım karbon esaslı nano yapıların titreşim özelliklerinin incelenmesi için yeterlidir. Fakat dinamik özellikleri incelenirken yakınsamama problemi doğurur. Bu yakınsama problemini ortadan kaldırmak için elemanların uyumlu kütle matrisleri kullanılmıştır. Uyumlu kütle matrislerini hesaplamak için gerekli eşdeğer eleman yoğunlukları, oluşturulan düzlem gerilme modeli doğal frekansları ile moleküler mekanik modellerin doğal frekanslarının eşitlenmesi ile elde edilmiştir. Sonuçta uyumlu kütle matrisi kullanılarak elde edilen doğal frekanslar ile toplanmış kütle matrisi ve düzlem gerilme modelleri kullanılarak elde edilen doğal frekans değerlerinin tutarlı olduğu görülmüştür. Grafen tabakalarının dinamik analizlerinde Newmark metodu kullanılmış ve grafen tabakalarının iki ve üç boyutlu dinamik davranışları incelenmiştir. Analizler sonucunda zamana karşı elde edilen yer değiştirme değerlerinin spektral analizlerinden, dinamik modellerin yapının davranışını çok iyi yansıttığı görülmüştür.Tez kapsamında hatasız ve değişik hatalar barındıran grafen tabakalarının ve karbon nanotüplerin doğrusal olmayan kırılma davranışları incelenmiştir. Grafen tabakalarının ve karbon nanotüplerin doğrusal olmayan kırılma davranışları incelenirken küçük şekil değiştirme kabulü artık geçerli olmadığından, geliştirilmiş Morse potansiyel fonksiyonu kullanılarak Euler-Bernoulli kiriş elemanlarının doğrusal olmayan davranışları belirlenmiştir. Geliştirilen yöntem hem doğrusal olmayan malzeme davranışlarını hemde doğrusal olmayan geometrik etkileri dikkate almaktadır. Analizlerde hatasız, Stone-Wales ve tek atom boşluk hatası içeren grafen tabakaları ve hatasız, yeniden yapılandırılmış tek ve iki atom boşluk hatası içeren karbon nanotüplerin kırılma davranışları incelenmiştir. Hesaplamalar sonucunda hatasız ve hatalı grafen tabakalarına ve karbon nanotüplere ait kırılma gerilmesi, kırılma birim şekil değiştirme değerleri ve hasarların nasıl bir tarzda olduğu belirlenmiştir. Analizler sonucunda, doğrusal olmayan geometrik etkilerin grafen tabakalarının ve karbon nanotüplerin kırılma davranışlarında etkili olduğu, Stone-Wales ve atom boşluk hatalarının bu malzemelerin kırılma değerlerini oldukça düşürdüğü, her iki malzemede de kırılmanın gevrek tarzlarda olduğu görülmüştür. Ayrıca grafen tabakalarının ve karbon nanotüplerin kırılma davranışlarının yöne bağımlı olduğu; belirli yönlerde bu malzemelerin kırılmaya karşı daha dayanıklı oldukları görülmüştür. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, bulunan kırılma gerilmesi ve birim şekil değiştirme değerleri ile kırılma tarzının literatürdeki sonuçlar ile oldukça uyumlu olduğu görülmüştür.Büyük boyutlarda veya fazla sayıda atom içeren nano yapıların tümü atomsal modeller kullanılarak yapılan analizlerin hesaplama yükleri oldukça fazladır. Bu hesaplama yüklerini kabul edilebilir seviyelere düşürmek, bunun yanında hesaplama hatalarını kabul edilebilir sınırlar içinde tutmak için bu çalışmada, grafen tabakalarının statik ve kırılma davranışlarının belirlenmesi için çok ölçekli bir modelleme yaklaşımı geliştirilmiştir. Moleküler mekanik ve düzlem gerilme modellerinin birleşik formülasyonunu elde etmek için geliştirilen bu çok ölçekli bağlama yaklaşım; moleküler mekanik ve düzlem gerilme yer değiştirme alanlarının en küçük kareler yöntemi mantığıyla birleştirilip, oluşan kısıtsız optimizasyon probleminin çözülmesine dayanır. Birleşik moleküler mekanik ve düzlem gerilme modellerinin çözümü için Lagrange çarpanları yöntemi kullanılmıştır. Kabul edilen bu çok ölçekli yaklaşımın ana avantajı, moleküler mekanik alanı veya alanları ile herhangi bir düzlem gerilme elemanı veya elemanları arasındaki birleşimin, doğru izdüşüm matrislerinin kullanılması ile çözüm ağını değiştirmeden kolaylıkla sağlanabilmesidir. Bu sayede, geliştirilen yaklaşım düzlem gerilme alanı üzerindeki herhangi bir eleman veya elemanlarda atomsal ölçeklerde çok hızlı analizler yapılabilmesine olanak sağlar. Kabul edilen yaklaşımın etkinliği, hatasız ve hatalı grafen tabakalarının statik ve/veya kırılma problemlerinde gösterilmiştir. Atomsal modellerde, harmonik ve geliştirilmiş Morse potansiyel fonksiyonları kullanılmıştır. Sonuçta, kabul edilen çok ölçekli formülasyonun grafen tabakalarının statik ve kırılma davranışlarını oldukça yüksek doğrulukta hesapladığı görülmüştür. Bu yaklaşım diğer birçok nano yapıdaki malzemelerde atomsal sonuç istenen bölge veya bölgelere kolaylıkla uygulanabilir.

Özet (Çeviri)

In this thesis, mechanical behavior of carbon-based nanostructures such as graphene sheets, carbon nanotubes and carbon nanocones are investigated by using a molecular mechanic based finite element and coupled molecular/continuum mechanic modeling approaches.The proposed molecular mechanic based finite element approach links the molecular mechanics and structural mechanics, and is based on simulating the covalent bonds between carbon-carbon atoms with Euler-Bernoulli beam elements. The harmonic and modified Morse molecular mechanic potential functions are used for small and large deformation problems. Elastic, vibrational, buckling and nonlinear fracture behavior of carbon nanotubes, vibrational and elastic buckling characteristics of carbon nanocones and elastic, vibrational and nonlinear fracture behavior of graphene sheets are investigated by using molecular mechanic based finite element approach. In addition, an equivalent dynamic model is developed for carbon based nanostructures and transient behavior of graphene sheets are investigated by using proposed approach. It is shown that the proposed approach can reflect elastic, vibrational, buckling, transient and fracture characteristics of carbon based nanostructures.In this thesis, a coupling method for molecular mechanic and continuum mechanic models is also derived based on an augmented formulation of atomistic and continuum displacement fields in a least square sense, which yields an optimization problem solved by using the Lagrange multiplier method. It allows coupled analyses of multiple numbers of molecular mechanic domains in a continuum mechanic domain. For the proposed approach, there is no need for a constraint on the meshes of the molecular mechanic and continuum mechanics domains and no overlapping domain is employed. Efficiency of the proposed approach is illustrated by solving fracture problems of graphene layers. Comparisons are made with the results given in literature. In sum, the proposed approach can compute the deformations of graphene layers in high accuracy, is very flexible to compute local solutions and can easily be applied to other materials.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    807285

    Energy dissipation and rate-dependent deformation behavior of STF-integrated PU foam nanocomposites

    STF entegre PU köpük nanokompozitlerin enerji emme ve hıza bağlı deformasyon davranışı

    EMRE GÜNDÜZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BÜNYAMİN KARAGÖZ

  2. Tez No

    392501

    Novel honeycomb nanostructures for energy storage and nanoscale device design

    Enerji depolama ve nano ölçekte cihaz tasarımı için yeni bal peteği nano yapılar

    VELİ ONGUN ÖZÇELİK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİM ÇIRACI

  3. Tez No

    752573

    Betonarme kolonların deprem performansının tekstil donatılı / donatısız cam lifli püskürtme harçla iyileştirilmesi

    Improvement of seismic performance of reinforced concrete columns using glass fiber reinforced sprayed mortar with / without textile reinforcement

    ALİ OSMAN ATEŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

  4. Tez No

    75301

    Çok düşük karbonlu çeliklerin sac şekillendirilebilirliği

    Başlık çevirisi yok

    M.BİNNAZ AKSAKAL KUNAÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET DEMİRKOL

  5. Tez No

    421251

    TZM alaşımının spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of TZM alloys prepared by spark plasma sintering (SPS)

    CAN BURAK DANIŞMAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER

Geri Dön