Determining mechanical properties of coated nanoporous Al-Cu structures by using molecular dynamics simulations
Moleküler dinamik simülasyonu ile nanoboşluklu ve kaplama yapılan nanoboşluklu Al-Cu yapıların mekanik özelliklerinin belirlenmesi
- Tez No: 352392
- Danışmanlar: PROF. DR. ATA MUGAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 82
Özet
Gelişen teknoloji ile birlikte nanoteknoloji ve nano bilim kavramları ortaya çıkmış ve gerek akademik gerekse endüstriyel alanda araştırılan ve gelecek vaad eden konular ortaya çıkmıştır. Nanoteknoloji nanoboyutta maddenin incelenmesini temel alır. Nanoboyut metrenin milyarda biridir ve nanoteknoloji başta atomlar, moleküller ve 100 nm?nin altındaki büyüklükleri inceler. Günümüzde araştırmacılar nanoteknoloji konusuna büyük önem vermekte ve bu konuda fizik, kimya, malzeme bilimi, biyoloji gibi bilim dalları başta olmak üzere çok sayıda bilim dalından araştırmacı çalışmaktadır. Nanoteknolojinin bu kadar ilgi görmesinin sebebi ise nanoboyutta malzemelerin göstermiş olduğu farklı davranışlardır. Başta tıp, enerji, tekstil, elektronik, kimya, bilgisayar ve malzeme bilimi olmak üzere pek çok uygulama alanı bulan nanoteknoloji konusu her geçen gün gelişmekte ve yeni ürünler ortaya koymaktadır. Nanoboşluklu yapılar da dünyanın heryerinden araştırmacıların dikkatini çeken, başlıca nanomalzeme konularından biridir. Nanoboşluklu yapılar sahip olduğu benzersiz mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleriyle dünyanın her yerinden çok sayıda araştırmacının dikkatini çekmiş ve bu konuda yüzlerce çalışma yapılmıştır. Nano boşluklu malzemelerin, sahip oldukları yüksek hacim yüzey oranı, benzersiz yüzey yapıları ve özellikleri, boşluklu yapıları, boşluk dağılımları sayesinde eyleyici, sensör, katalizör, yalıtım malzemesi, enerji depolama, enerji soğurucu ve ayrıştırıcı olarak kullanılması planlanmaktadır. Ayrıca günümüzde başta tıp alanında olmak üzere pek çok alanda da kullanımına da başlanmıştır. Bu amaçla günümüzde pek çok alanda çok sayıda araştırmacı yeni nanoboşluklu malzeme üretimi, üretilen malzemelerin mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerinin belirlenmesi için çalışmalar yapmaktadır. Başta nanoboşluklu altın olmak üzere, nanoboşlluk alüminyum, bakır, mangan en fazla incelenen nanoboşluklu malzemelerin başında gelir. Nanoboşluklu malzemeler, esas malzemenin özelliklerinde farklı özellikler göstermektedir. Bunun temel sebebi boşluktan kaynaklanan çok geniş bir yüzeyin sabit bir hacim içerinde bulunmasıdır. Yüzey büyüdükçe içerisindeki serbest yüzeyler ihmal edilemeyecek seviyeye gelir ve malzeme esas malzemenin özellikleri dışında özellikler göstermeye başlar. Nanoboşluklu malzemeler boşluk türlerine göre kapalı ve açık hücreli olarak olarak ikiye ayrılır. Kapalı hücreli nanoboşluklu malzemelerin daha çok yalıtım ve depolama amaçlı kullanıması planlanmakta açık hücrelilerin ise sensör, eyleyici, ayrıştırıcı ve katalizör olarak kullanımı amaçlanmaktadır. Nanoboşluklu malzemeler için yapılan çalışma sayısı fazla olmasına rağmen henüz genel geçerliliği olan sonuçlara ulaşılamamıştır. Örneğin, makro boşluklu nano malzemeler için Gibson ve Ashby denklemleri genel olarak geçerli olan bir eşitlik olduğu halde, nanoboşluklu malzemeler için böyle bir eşitlik henüz bulunamamıştır. Nanoboşluklu malzemelere, makroboşluklu malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinde etkili olan parametrelerden farklı parametreler de etki ettiği için bu denklemlerin nanoboşluklu malzemelerde geçerliliğini yitirdiği gözlemlenmiştir. Gibson ve Ashby denklemleri göz önüne alındığında makroboşluklu malzemelerde bağıl yoğunluğun etkili olduğu gözlemlenmektedir. Ancak; nano boyuta düşüldükçe bağıl yoğunluk kadar bağ boyutu de önem kazanır ve bu durum Gibson ve Ashby denklemlerinin geçerliliğini yitirmesine sebep olur. Nanoboşluklu malzemeler üzerine yapılan çalışmalar deneysel ve teorik olarak olarak ikiye ayrılır. Deneysel çalışmalarda kullanılan nanoboşluklu malzemeler, yeniden alaşımla yöntemi başta olmak üzere, filtreleme ile dökme ve kalıplama yöntemleriyle üretilir. Mekanik özelliklerinin belirlenmesinde ise nano boyutta sertlik deneyi en yaygın kullanılan yöntemdir. Nano boyutta sertlik deneyinde elmas gibi sert bir metalden yapılan standart bir uç özellikleri bilinmeyen malzemeye bastırılır ve malzemenin buna gösterdiği direnç ölçülür. Diğer bir yöntem ise simülasyon yardımıyla mekanik özelliklerin incelenmesi yöntemidir. Literatürde çok sayıda moleküler dinamik simülasyonu yardımıyla nanoboşluklu malzemelerin mekanik özelliklerin belirlenmesi konulu çalışma mevcuttur. Bunun nedeni deneysel yöntemlere göre daha kolay, hızlı ve pratik olmasıdır. Bu tez kapsamında, nanoboşluklu alüminyum malzemelerin ve içerisine bakır kaplama yapılmış nanoboşluklu alüminyum malzemenin değişik boşluk oranlarında elastiklik modulü, akma dayanımı, kopma dayanımı, yoğunluğu gibi mekanik özellikleri incelenmiş ve bulunan sonuçlar ile piyasada kullanılan alüminyum malzemelerin özellikleri arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu amaçla, öncelikle nanoboşluklu yapının bilgisayar ortamında oluşturulması amaçlanmış ve çeşitli yazılım programları yardımıyla modeller oluşturulmuştur. Model oluşumunda önce MATLAB yazılımı kullanılarak rastgele koordinatlar oluşturulmuş ve bu koordinatlardan çeşitli yarıçaplarda, belirli kurallar çerçevesinde birbiri ile kesişen küreler yaratılmıştır. Bu küreler CATIA da oluşturulan, belirli hacimdeki bir prizmatik şekilden çıkarılarak esas alacağımız boşluklu yapı modelimiz elde edilmiştir. Sonrasında tekrar MATLAB yardımı ile içerisine istenilen kalınlıkta Al veya Cu atomları kaplanarak değişik boşluk yüzdelerinde nanoboşluklu yapılar elde edilmiştir. Sonuç olarak üç farklı boşluk oranı esas alınarak toplamda altı adet model oluşturulmuştur. Bu modellerin üç tanesi kaplama yapılmamış nanoboşluklu alüminyum, üç tanesi ise iç yüzeyine bakır kaplama yapılmış nanoboşluklu alüminyum modellerdir. Her bir boşluk oranı için hem tek atomlu hem de kaplamalı bir kenar uzunluğu 380 A0 olan küp şeklinde modeller oluşturulmuştur. Bu boşluk oranları %68.6, %64.6 ve %59.8 dir. %68.6 boşluk oranında 2 nm, %64.6 boşluk oranında 3 nm, %59.8 boşluk oranında ise 4 nm kalınlığında bakır kaplama tabakası bulunmaktadır. Oluşturulan modeller, moleküler dinamik yöntemleri ile incelenmiş ve elastiklik modülü, akma dayanımı, kopma dayanımı, yoğunluk gibi mekanik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla moleküler dinamik simülasyonları yapılmıştır. Moleküler dinamik simülasyonlarında Sandia Ulusal Laboratuarında geliştirilmiş olan ve günümüzde en yaygın kullanılan moleküler dinamik simülasyon programlarından biri olan LAMMPS programı kullanılmıştır. Bu programa istenilen atomların özellikleri, sınır koşulları, kafes yapıları, potansiyel tipleri, başlangıç durum ve hızları, sıcaklıklar gibi parametreleri uygun kodlar yazılarak belirlenmiştir. İstenilen şartlar altında ve belirli bir miktarda uzama uygulanarak çekme davranışı incelenmiştir. Atomların birbirleriyle etkileşimlerinde Al-Cu alaşımları için yazılmış olan gömülü atom modeli kullanılmış ve etkileşimler incelenmiştir. Değişik boşluk oranlarında, hem tek çeşit atomlu hem de kaplamalı modeller için simülasyonlar yapılmış ve çıkan sonuçlar hem literatürdeki verilerle hem de birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Öncelikle kaplamasız nanoboşluklu modeller incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda elastiklik modülü %68.6 boşluk oranı için yaklaşık 125 GPa, %64.6 boşluk oranı için yaklaşık 150 GPa ve %59.8 boşluk oranı için yaklaşık yaklaşık 250 GPa olarak bulunmuştur. Bu sonuçlar bilinen alüminyum değeri olan 69 GPa değerinde oldukça yüksektir. Tez kapsamında, makroboşluklu malzemelerde kullanılan deklemler yardımıyla elastiklik modülü hesaplanmış ve eşitlikten elde edilen sonuçlar ile analizlerden elde edilen sonuçlar arasında büyük farklılılar olduğu gözlemlenmiştir. Kaplamasız nanoboşluklu alüminyum modellerin akma dayanımları da incelenmiş ve %68.6 boşluk oranı için 270 MPa, %64.6 boşluk oranı için 300 MPa ve %59.8 boşluk oranı için 460 MPa bulunmuştur. Bu değerler Gibson ve Ashby denkleminden elde edilen değerlerden ve alüminyum akma değerinden oldukça büyüktür. Aynı zamanda kopma mukavemeti incelenmiş ve %68.6 boşluk oranı için 304 MPa, %64.6 boşluk oranı için 351 MPa ve %59.8 boşluk oranı için 594 MPa bulunmuştur. Son olarak yoğunluk hesabı yapılmıştır. Bunun için bir kenar uzunluğu 380 A0 olan kübik şekilde bir model LAMMPS yardımıyla oluşturulmuş ve içi boşluksuz olacak şekilde alüminyum atomları ile doldurulmuştur. Oluşturulan atom sayısı hesaplanmış ve bu bilgi yardımıyla alüminyumun yoğunluğu hesaplanmıştır. Her bir model için yoğunluklar hesaplanmış ve bu yoğunluk değerleri boşluksuz için hesaplanan değere bölünerek nanoboşluklu malzemeler için önemli parametrelerden biri olan yoğunluk oranı değerleri elde edilmiştir. İkinci aşamada boşluk oranı aynı olan kaplamalı modeller incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda elde edilen verileri kullanarak kaplamasız modellerde uygulanan yöntemlerle elastiklik modülü, akma dayanımı ve kopma mukavemeti hesaplanmıştır. Bakır kaplamalı nanoboşluklu alüminyum malzemede elastiklik modülü %68.6 boşluk oranı için yaklaşık 300 GPa, %64.6 boşluk oranı için yaklaşık 343 GPa ve %59.8 boşluk oranı için yaklaşık yaklaşık 437 GPa olarak bulunmuştur. Bakır kaplamalı nanoboşluklu malzemelerin akma dayanımları da hesaplanmış ve %68.6 boşluk oranı için 370 MPa, %64.6 boşluk oranı için 490 MPa ve %59.8 boşluk oranı için 680 MPa olarak bulunmuştur. Bunlara ek olarak, bu malzemelerin kopma mukavemetleri elde edilen en büyük kuvvet yardımıyla hesaplanmıştır bu değerler %68.6 boşluk oranı için 377 MPa, %64.6 boşluk oranı için 498 MPa ve %59.8 boşluk oranı için 752 MPa olarak hesaplanmıştır. Yapılan analizlerde porozite arttıkça elastisitenin, akma dayanımının, kopma dayanımının azaldığı gözlenmiştir. Yoğunluğun ise artan porozite oranı ile azaldığı görülmüştür. Bunun yanında kaplama yapılmasının malzemenin elastiklik modülünde, akma dayanımında ve kopma mukavemeti değerlerinde artışa neden olduğu gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Nanotechnology and nanoscience have become a significant part of academic research studies since the development of electron microscopes. Nanoporous materials, one of the fundamental branches of nanomaterials, attracted researchers? attention all over the world due to their unique mechanical, physical and chemical properties. They can be used as actuators, sensors, catalysis, insulators, electrodes, energy absorbents and separators as a result of their high surface to volume ratio and their original surface, structural, bulk and excellent electro-catalytic characteristics. Alternative pore proportion, porosity, pore configuration and combination of altered pores and surface characteristics provide numerous appliances. This widely usage area encourages physicists, biologists, chemists and engineers to discover new porous materials, new production methods and new simulation techniques to define the characteristics of porous materials. In this thesis, mechanical behavior of nanoporous Al and Cu coated nanoporous Al with different thickness values are investigated by using molecular dynamic simulation. A nanoporous model is generated by using CATIA and MATLAB software. Coordinates of the spheres' center points are generated randomly and radii values are given. Furthermore, the nanoporous structure is generated by deleting random spherical structure from a solid block with a CATIA command script. For the coated model, a new material is generated inside the porous structure using a proper algorithm and a thickness is assigned. Subsequently, molecular dynamics (MD) simulations are used to determine the mechanical behavior of coated and uncoated nanoporous structures. One of the most common MD software, LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) is used to determine mechanical behavior of the nanoporous structure. Design parameters and initial conditions of MD simulations such as the dimension, units, atom and lattice types, potential type, atomic mass, initial positions and velocities, temperatures and constraints are applied to the model with LAMMPS. As an interatomic potential, Al-Cu embedded atom potential (EAM), is employed to model to define the interactions between Al and Cu atoms. Simulations are done for different relative densities and completed by using these parameters. Comparisons are made with the results given in literature.
Benzer Tezler
- Effects of pressure and bias voltage on the morphology and properties of refractory WNbMoV high entropy thin films coated via magnetron sputtering
Basınç ve bıas voltajının, magnetron sıçratma yoluyla kaplanmış refrakter WNbMoV yüksek entropili ince filmlerin morfolojisi ve özellikleri üzerindeki etkileri
SEVDA JAFARI AGHDAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- UV ışınları ile sertleşebilen polimerik kaplamaların hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of UV-cured polymeric coatings
TÜLAY YILMAZ İNAN
- UV-ışınları ile sertleştirilen polimerik filmlerin hazırlanması, karakterizasyonu ve uygulama alanları
The Preparation, the characterization, and various applications of UV-cured polymeric films
ATTİLA GÜNGÖR
- Termokimyasal işlemle yüzey katmanı oluşturulmuş türbin kanadı malzemesinde yapısal ve fiziksel özelliklerin değerlendirilmesi
Evaluation of structural and physical properties of thermochemical processed turbine blade material
MURAT KAYAALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Metalurji MühendisliğiGazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HASAN HASIRCI