Geri Dön

Molecular dynamics simulations of carbon-aluminum nanocomposites

Karbon-alüminyum nanokompozitlerinin moleküler dinamik simülasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 467220
  2. Yazar: AHMET SEMİH ERTÜRK
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MESUT KIRCA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  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: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Nanobilim ve nanoteknolojinin gelismesiyle birlikte mükemmel özelliklere sahip birçok nanomalzeme ve nanokompozitler bulunmustur. Bu nanomalzemeler sıradı¸sı özellikleri ile bilime birçok ara¸stırma konusu saglamıstır. Nanomalzemelerin en gözde türleri karbon nanomalzemelerden olan fulleren, nanotüp ve grafendir. Bu karbon nanoyapıların kendileri ve diger malzemelerle olan kompozitleri birçok ara¸stırmacının ilgilisi çekmektedir. Büyük ilginin baslıca sebebi bu malzemelerin özellikleri olsa da, diger sebepleri arasında uygulama alanlarının çesitliligi ve bulunan yapıların geli¸stirilmesini saglayacak potansiyellerinin bulunması sayılabilir. Bu yüzden bu malzemelerin özelliklerinin ve davranıslarının deneylerle ve simülasyon metodları kullanılarak belirlenmesi son derece önemlidir. Bu tezde karbon nanomalzemeler içeren iki farklı nanokompozit incelenmistir. Bu nanoyapılardan ilki grafen ile kaplanmıs alüminyum tabakası iken, ikincisi alüminyum, fulleren ve grafen içeren sandviç yapıdır. Ilk model olan kaplanmıs alüminyum tabakası, 20nm x 20nm genisliginde ve 10nm kalınlıgında bir alüminyum tabakasının üst yüzeyine aynı genislikte bir grafen tabakası yerlestirilerek olusturulmustur. Ikinci model olan alüminyum, fulleren ve grafen içeren sandviç yapının olu¸sturulması ise iki kısımlıdır. Öncelikle iki tane grafen tabakasının arasına fullerenler rastgele yerlestirilmi¸stir. Daha sonra olu¸san bu yapının serbest grafen yüzeyleri 2nm kalınlıgındaki alüminyum tabakaları ile kaplanmıstır. Sandviç yapının genisligi 10nm x 10nm'dir. Yapıların özelliklerinin ve davranıslarının belirlenmesi için moleküler dinamik simülasyonlarından faydalanılmı¸stır. Simülasyonlarda kosul toplulukları, sınır kosulları ve atomlar arası potansiyeller uygun sekilde belirlendikten sonra, çekme ve basma olarak farklı yüklemeler yapılara uygulanmıstır. Ayrıca yapının yükleme durumu altındayken bozulması sırasındaki davranısı da analizler ile incelenmi¸stir. Bahsedilen analizlerde yapıların kafes sistemleri ve atomların dizilimleri incelenerek yapının elastik davranısının ne zaman bittigi, plastik davranı¸sının ne zaman basladıgı, yük tasıma esnasında malzemede olu¸san mekanizmalar, malzemenin kopma sınırı ve kopma sekli hakkında ayrıntılıbilgi edinilebilir. Bu yüzden, bu analizler yapının özelliklerini yorumlamak ve detaylı bir arastırma için büyük öneme sahiptir. Ilk olarak, grafen kaplı alüminyum modelinin çekme davranısı incelenmistir. Modelin boyutlarını belirlemek için farklı yüzey alanlarına ve kalınlıklara sahip farklı modeller ile çekme analizi yapılmı¸stır. Bu analizlerin sonuçlarının yakınsama durumuna göre modelin boyutları seçilmistir. Modelin boyutları belirlendikten sonra sınır sartları modele uygulanmıstır. Simülasyon kutusu kaplama alanı yönünde periyodik iken kalınlık yönünde periyodik degildir. Ek olarak sıcaklık 0 K olarak belirlenmis ve böylece simülasyon statik ko¸sullara yakla¸stırılmı¸stır. Simülasyonda çekme yükü olarak 0,001 ps-1 birim sekil degistirme oranı verilmi¸stir. Bu yük de˘geri literatürde birçok simülasyonda kullanılmıs olup ve yapının özelliklerinin incelenmesi için uygun bir degerdir. Analiz sonuçlarına göre grafen kaplanmıs alüminyumun elastiklik modulü alüminyumla karsılastırıldıgında %77,5 daha fazladır. Ayrıca, maksimum çekme dayanımı da yaklasık %200 artıs göstermistir. Ancak alüminyumun aksine kaplanmıs yapıda çekme esnasında sertlesme ve yumusama davranısları gözlemlenmistir. Bu davranıslar grafenin yüksek dayanım özelliginden ve çekme esnasındaki davranısından kaynaklanmaktadır. Grafenin bu özelligi malzemenin daha geç kopmasında da rol oynamaktadır. Çekme esnasındaki davranı¸sın yanısıra nanomalzemenin bozulma davranısı da yapının tam olarak anla¸sılması için incelenmistir. Bu inceleme sonucunda yapıda öncelikle“Hexagonal Close-Packed”denilen yapılardan kaynaklı kayma düzlemlerinin olustugu gözlemlenmistir. Bu yapılar aracılıgıyla atomlar birbiri üzerinde kayarak malzemenin bozulmasına sebep olmaktadırlar. Ancak grafenin yüksek dayanım özelligi kendine yakın olan alüminyum atomlarında“Amorph”adı verilen yapının olu¸smasına sebep olmaktadır.“Amorph”yapı kayma düzlemlerine dogru ilerleyerek tüm nanoyapıya yayılmakta ve sekil degisimine karsı yüksek direnis göstermektedir. Bundan dolayı grafen kaplı alüminyumun dayanımı kaplamasız alüminyumdan çok daha fazladır. Bu farkın olu¸smasında elbette grafenin etkisi büyüktür ancak uygulanan dü¸sük sıcaklık da“Amorph”yapıyı olu¸sturan etkenler arasındadır. ˙Ikinci olarak, alüminyum, fulleren ve grafenden olusan sandviç yapının çekme ve basma esnasındaki davranı¸sı incelenmi¸stir. Ayrıntılı ¸sekilde davranı¸sı incelemek ve fulleren çe¸sidinin yapı üzerindeki etkisini ara¸stırmak için farklı tür fullerenler (C60, C80, C180, C2400 ve C3200) kullanılarak analizler yinelenmistir. Analizde simülasyon kutusu her yönde periyodik olarak ayarlanmı¸stır. Fullerenlerin grafen katmanlarına baglantısını olusturmak için baglantı kısımlarına yüksek sıcaklık uygulanarak kaynak islemi yapılmı¸stır. Kaynak sonrası oda sıcaklı˘gı ko¸sulları tüm modele uygulanmı¸stır. Simülasyonda yüklerin hızları (0,5, 0,3, 0,1, 0,05 ve 0,005 ps-1) da degistirilerek yüklemenin yapı üzerinde etkisi de gözlemlenmi¸stir. Basma simülasyonu sonucunda maksimum gerilme C60 modelinde gözlemlenmi¸stir ve de˘geri 175 GPa'dır. Minimum gerilme ise C320 modelindedir ve de˘geri 85 GPa'dır. Maximum ve minimum de˘gerler modellerin birim ¸sekil de˘gi¸stirmesi 0,5 iken alınmı¸s gerilme degerleridir. Basma esnasında görülen bu farklı de˘gerler yapıların homojenliginden kaynaklanmaktadır. Modeller olu¸sturulurken fulleren yapılarındaki toplam karbon atom sayısı sabit tutulmu¸stur. Bu nedenle fulleren çapı büyüdükçe modeldeki fulleren sayısı azalmaktadır. Bu da en homojen yapının C60 modelinde elde edilmesini saglamaktadır. Basma esnasında yapı atom sayısı sabit kalırken hacim azaldıgı için yapı yogunlasmaya baslar. Yogunlasma islemi sırasında yapının homojenli˘gi büyük öneme sahiptir. Bunlara ek olarak yüklerin hızlarının de˘gi¸siminin yapıya etkisi de incelenmi¸s ve yükün hızının artması ile sertle¸sme ve yumu¸sama davranı¸sları gözlemlenmeye baslamıstır. Yüksek hızdaki yüklemelerde yapının dengeye gelmesi için yeterli zamanı bulamaması yapıdaki bozulma mekanizmalarını degistirmistir ve bu da bahsedilen setlesme ve yumusama davranıslarının gözlenmesine sebep olmustur. Ayrıca, yapının homojenli˘gi azaldıkça yükün hızı yapının davranı¸sında daha etkili olmaktadır. Yapının bozulma davranısında“Amorph”yapısı baskın olmasına ragmen“Body-Centered Cubic”yapısının oranının da birim sekil degisimi 0,5'e yaklastıkça arttı˘gı daha sonra ise bunun“Hexagonal Close-Packed”formuna dönüstügü gözlemlenmistir. Yükleme hızına baglı olarak daki“Face-Centered Cubic”kafes sistemlerinin“Amorph”yapısına dönüsme sekli ve hızı da de˘gi¸smektedir. Çekme simülasyonu sonucunda maksimum gerilme basmada oldu˘gu gibi C60 modelinde gözlemlenmistir ve degeri 4,8 GPa'dır. Aynı sekilde minimum gerilme ise C320 modelindedir ve degeri 2,5 GPa'dır. Bu fark yine basmada oldugu gibi yapıların homojenliklerinden kaynaklıdır. Yüklerin hızlarının etkisi de yine incelenmis ve sonucunda sertlesme ve yumusama davranısları gözlenmistir. Ancak çekme esnasında bu davranıslar sadece belirli bir yük hızı aralıgında gözlemlenmistir. Bu aralıgın üstü ve altı için herhangi bir sertlesme ve yumusama davranısı söz konusu degildir. Ek olarak uygulanan yükün etkisi modeldeki fulleren çapı büyüdükçe daha etkin bir hal almaktadır. Çekme esnasında basmada da oldugu gibi gerilme birikmesi fulleren ve grafenlerde gözlemlenmektedir. Ancak buradaki fark çekme esnasında fulleren ile grafen arasındaki bagların kopmaya ba¸slamasıdır. Bagların kopma oranı önceden belirtilmis olan yük aralıgında ani bir sekilde olurken diger yük hızlarında daha düzenli bir sekilde gerçeklesmektedir. Bunu sebebi yüklemenin hızına ba˘glı olarak yapının“Amorph”yapıya dönüsmesidir. Yüksek hızlarda bu dönüsüm hızlı bir sekilde gerçekle¸smektedir. Düsük hızda ise yapı dengeye ulasmak için yeterli zamanı bulabildigi için daha dengelidir. Ancak bu yükleme hızları arasındaki bir yüklemede yapı dengeli bir halden ve“Amorph”yapısına geçis arasında kararsız bir konumdadır. Bu durum da yapıdaki yumusama ve sertlesme davranısına ayrıca fulleren ve grafen baglarının ani bir sekilde kopup tekrar olusmasına sebep olmaktadır. Yapının kopma davranısı esnasında baskın yapı“Amorph”yapıdır. Ancak düsük hızlarda“Body-Centered Cubic”yapısı da gözlenmektedir. Yapının kopması fullerenlerin alt veya üst kısmında yer alan grafene baglı olamayan alüminyum atomlarından baslayıp kaplama yüzeyi yönünde ilerleyerek gerçeklesmektedir.

Özet (Çeviri)

Nanoscience and nanotechnology provide many research areas due to extraordinary properties of nanomaterials and nanocomposites. The most popular of these materials are mainly carbon based nanomaterials such as fullerene, nanotube and graphene as well as their composite structures formed with each other and other materials such as metals and polymers. Because of the fact that carbon nanomaterials have a high potential for new applications and a high possibility to improve current structures and systems, scientists investigate carbon structures to understand their properties and behaviors in a better way by both performing experiments and using computational methods and modelling. In this thesis, we investigate behaviors of two different nanostructures such as graphene coated aluminum and sandwich structure of aluminum, fullerene and graphene. To understand the characteristics of the structures, molecular dynamics simulations are performed under compressive and tensile loadings. Moreover, deformation behaviors of the nanostructures are observed by performing a common neighbor analysis. Firstly, we investigated the graphene coated aluminum nanostructure. The model of the nanostructure is created by a convergence of tensile analysis which is performed for different models with different dimensions and thicknesses. After determining the dimensions of the model, boundary conditions are applied as non-periodic simulation box and canonical ensembles at 0 K to accomplish static conditions. Tensile loading is simulated with a strain rate of 0.001 ps􀀀1 which is the value taken from literature. According to the result of the performed molecular dynamics simulation, elastic modulus and ultimate tensile stress of the structure and the pure aluminum is compared. Approximately 77.5% and 200% increase in elastic modulus and ultimate tensile stress is observed by graphene coating, respectively. Moreover, softening and hardening behaviors are observed for graphene coated aluminum nanostructure with higher failure strain value. Even though the tensile behavior is investigated, deformation characteristics are also examined for fully understanding of the nanostructure. Hexagonal close-packed atoms initiate the slip-slide mechanisms and undefined crystal structures move from graphene surface to the structure by the slip-slide mechanism. Because of that the density of atoms in undefined crystal structure is very high (i.e. 70% approximately), amorph behavior is observed. Thus, coated structure shows high resistance to the deformation and this resistance causes high tensile stress values under loading. Secondly, we investigated the aluminum-fullerene-graphene hybrid nanocomposite. In the model, fullerenes are merged in between two graphene sheets which are coated with an aluminum layer on both outer surfaces. For a detailed understanding of tensile and compressive behaviors, the effect of different fullerene types (i.e. C60, C80, C180, C240 and C320) are also observed. Periodic boundary conditions are applied to all dimensions of the structure. Welding of fullerenes to graphene layers is implemented to connection areas between fullerenes and graphene layers by a canonical ensemble at high temperatures. After welding, the ensemble is reduced to room temperature and applied to the entire structure. Tensile and compressive loadings are applied at different strain rates (i.e. 0.5, 0.3, 0.1, 0.05 and 0.005 ps􀀀1) to examine the effect of loading rate. From results for the compressive response, maximum and minimum stress values are 175 GPa and 85 GPa at 0.5 strain for the models C60 and C320, respectively. Due to the homogeneity of the structures, densification process shows differences and stress values differ from the model C60 to C320. The strain rate of the loading effects the characteristics of the structure. As a result of the change in the strain rate, hardening and softening regimes occur within densification process. While compression continues, body-centered cubic structure density increases under loading and to the end of the simulation these structures transform into the hexagonal close-packed structure. According to results for the tensile response, maximum and minimum stress values are 4.8 GPa and 2.5 GPa at 0.5 strain for the models C60 and C320, respectively. Similar to compressive response, tensional behavior shows differences and stress values differ from the model C60 to C320 because of homogeneity. The effect of the strain rate which causes hardening and softening regimes is observed. Deformation of the structure starts from the areas under and over the fullerenes where there is no graphene layer to hold the aluminum atoms. The undefined crystal structure is the dominant deformation structure during tensile loading.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    520920

    Density functional theory and molecular dynamics simulations of carbon nanotubes, polyetheretherketone and their interfaces

    Karbon nanotüplerı̇n, polı̇etereterketon ve arayüzlerı̇nı̇n yoğunluk fonksı̇yonelı̇ teorı̇sı̇ ve moleküler dı̇namı̇k sı̇mulasyonları

    GÖZDENUR TORAMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HANDE TOFFOLİ

    DOÇ. DR. ERCAN GÜRSES

  2. Tez No

    899207

    Molecular dynamics simulations of GR/GO-polyurethane/polyurea nanocomposites

    GR/GO-poliüretan/poliüre nanokompozitlerinin moleküler dinamik simülasyon yöntemleri ile incelenmesi

    BERİN SAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EROL YILDIRIM

    DOÇ. DR. HANDE TOFFOLİ

  3. Tez No

    143391

    Stability of carbon nanotubes and nanorods under heat treatment: Molecular dynamics simulations

    Karbon nanotüp ve karbon nanoçubuk yapılarının sıcaklığa karşı dayanıklığı: Moloküler-dinamik simulasyon metodu

    OSMAN BARIŞ MALCIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2003

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞAKİR ERKOÇ

  4. Tez No

    177307

    Hydrogen storage capacity of nanosystems: Molecular -dynamics simulations

    Nanosistemlerin hidrojen depolama kapasitesi: Molecular ?dinamik simulasyonları

    AYTUN KOYUNCULAR ONAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Bölümü

    PROF. DR. ŞAKİR ERKOÇ

  5. Tez No

    182881

    Nanoteknolojide karbon nanotüplerin dayanıklılık simülasyonları

    Thermal stability simulations of carbon nanotubes in nanotechnology

    ALİ HAYDAR SEVİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. GÜLAY DERELİ

Geri Dön