Geri Dön

Investigation of mechanical behavior of graphene reinforced aluminum nanocomposites

Grafen ile güçlendirilmiş alüminyum nano kompozitlerin mekanik davranışının araştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 511674
  2. Yazar: NECATİ YASİN GÖKSAL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT KIRKAYAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  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: 83

Özet

Grafen, karbon atomlarının altıgen yapıda bir latis dizilimiyle oluşan, bir atom kalınlığında 2-boyutlu bir malzemedir. Manchester Üniversitesi akademisyenleri Andrei Geim ve Konstantin Novoselov, küçük bir grafit parça ve basit bir bant kullandıkları çalışmalarında“serbest halde durabilen”ilk defa grafen tabakasını sentezlemeyi başararak 2010 yılı Nobel Fizik Ödülünü almaya hak kazandılar. Özellikle bu yıldan itibaren gerek endüstriyel gerekse bilimsel çalışmaların sayısı dramatik bir şekilde artmıştır. Karbon atomları doğada elmas ve grafit halinde mevcuttur. Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle yapay allotropları; karbon nanotüp, fulleren ve son olarak grafen üretilebilmektedir. Grafen formundaki atomların kendine özgü konfigürasyonu, grafenin çok yönlü ve muazzam özelliklere sahip olmasını sağlamıştır. Yüksek ısı ve elektrik iletkenliği, esnekliği, şeffaflığı ve yüksek mukavemetli olması bilinen en önemli özellikleridir. Bu sebeple bilim insanları tarafından“geleceğin malzemesi”,“mucize malzeme”şeklinde anılmaktadır. Grafen uygulamaları ile ilgili şimdiden alınmış 25,000 üzerinde patent, gelecekte grafenin önemli bir değişimin yapı taşı olacağının habercisidir. Sahip olduğu çok yönlü özellikleri sayesinde, kapasitesi yüksek ve çok hızlı bir şekilde şarj edilebilen batarya teknolojisi, şeffaf ve ince ekranlar, çok yüksek performanslı işlemciler, insanın hareket kabiliyetini kısıtlamayan health-monitoring (insan sağlığı ile ilgili bazı parametrelerin takip edildiği) sistemler, kuantum bilgisayarlardaki yüksek kapasiteli işlemcilerin soğutma sistemleri, termal konforu sağlayan spor kıyafetleri vb. gibi birçok konuda ilerlemenin temel parametresi grafen olacaktır. Bu tezde, grafenin yüksek mukavemet özellikleri ve düşük yoğunluğundan hareketle üretilebilecek grafen ile güçlendirilmiş nanokompozitlerin mekanik özellikleri üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Literatürde grafenin mekanik özelliklerinin araştırılması konusunda yapılmış kayda değer sayıda çalışma mevcuttur. Bu çalışmalarda kullanılan temel metotlar; fiziksel testler, moleküler dinamik simülasyonlar (MDS) ve çok-ölçekli sonlu elemanlar (SE) analizleridir. Grafenin mekanik özelliklerinin incelenmesinde, nano ölçekteki boyutları sebebiyle fiziksel testlerin gerçekleştirilmesi zahmetli ve pahalı olmaktadır. Büyük ölçekten küçük ölçeğe (sürekli ortamdan nano skalaya) doğru gidildikçe yeni incelenen olguyu etkileyen yeni fenomenler ortaya çıkmaktadır. Bütün bu fenomenlerin tespiti, incelenen olguya etkisi ve kurulacak olan teste doğru yansıtılması gibi konular, kontrollü deney çalışmalarını neredeyse imkânsız hale getirmektedir. Bu noktada bilgisayar simülasyonları önem kazanmaktadır. Bilgisayar teknolojisinin geldiği nokta itibariyle, neredeyse tüm zaman ve boyut ölçeklerinde fiziksel problemler için model kurmak ve çözüme ulaşmak mümkündür. Bu tezde, moleküler dinamik simülasyonlar ve çok-ölçekli sonlu elemanlar analizleri kullanılarak grafenle güçlendirilmiş Al nano kompozitlerin mekanik davranışları incelenmiştir. Her iki yöntemde de analizler iki seviyede gerçekleştirilmiştir. İlk seviye analizlerde Tek katmanlı grafen tabakası (TKGT) ele alınmış ve çekme simülasyonu gerçekleştirilerek TKGT'nin mekanik özellikleri (Young modülü ve Poisson oranı) tespit edilmiştir. Elde edilen mekanik özellikler, literatürdeki benzer çalışmaların sonuçları ile karşılaştırılmış ve ilk seviye analizler için doğrulama çalışması gerçekleştirilmiştir. İkinci seviye analizlerde ise temsili hacim eleman (THE) oluşturulmuştur. Temsili hacim elemanı; yapının ilgili uzay-zaman ölçeğindeki incelenen olguya etki eden fenomenlerin yansıtıldığı ve bazı kabuller altında kendinden çok büyük ölçekteki malzeme karakterini / mekanik özelliklerini temsil edebilecek nitelikte olan matematiksel modeldir. Bu çalışmada nano mertebedeki mekanik davranış incelendiği için, ilgili skaladaki fiziksel fenomenleri de içeren sürekli ortam modelini oluşturmak çok yüksek hesaplama maliyeti gerektireceği için THE modeli kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir. İlk seviye analizlerde doğrulanan modele, alüminyum matris eklenmiş ve belirlenen bir ara yüz matematiksel modeli ile TKGT ve matris belirli bir hacim fraksiyonunda birleştirilmiştir. Çok-ölçekli sonlu elemanlar analizlerinde, moleküler ve sürekli ortam arasındaki bağlantı sonlu elemanlar metodu kullanılarak oluşturulmuştur. İlk seviye SE analizlerinde; grafen, kovalent bağı temsil eden eşdeğer Euler Bernoulli (EB) kiriş elemanlar kullanılarak modellenmiş ve yapıya tek yönlü çekme yükü uygulanmıştır. Grafenin armchair ve zigzag yönleri için Young Modülü ve Poisson Oranı elde edilmiştir. Ayrıca grafen boyutunun, elastik parametrelerine etkisini incelemek için farklı boyutlarda grafen için parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. İkinci seviye analizlerde, grafen ile güçlendirilmiş Al nanokompoziti temsil eden ve hacim fraksiyonu 0.068 olan bir THE incelenmiştir. Al sürekli ortam olarak, hexahedral katı elemanlar kullanılarak, TKGT eşdeğer kiriş elemanlar kullanarak modellenmiştir. Moleküler ortam ile sürekli ortam arasındaki yük transferini sağlamak için heterojen ara yüz modeli kullanılmıştır. Bu ara yüzdeki kirişler elemanlara bulundukları konuma göre değişen direngenlik tanımlamaları yapılmıştır. Oluşturulan THE tek eksenli çekme yüklemesine maruz bırakılarak THE'nin Young Modülü elde edilmiştir. Ayrıca, keyfi seçilen bir Al alaşımı ile farklı hacim fraksiyonlarında THE'ler oluşturulmuştur. Doğrusal olmayan SE çözücüsü kullanılarak farklı hacim fraksiyonları için gerilme - gerinim eğrileri elde edilmiştir. Son olarak, çok-ölçekli SE modeli kullanılarak THE'nin farklı mekanik yüklemeler altındaki davranışı ve titreşim davranışı incelenmiştir. MDS, açık kaynak kodlu LAMMPS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. SE metodunda kullanılan aynı analiz sırası izlenerek önce TKGT sonra THE için analizler gerçekleştirilmiştir. TKGT modelinde 1008 C atomu, THE modelinde ise toplam 9120 atom kullanılmıştır. C atomları için AIREBO, Al atomları için EAM ve Al-C arasındaki etkileşim için Lennard-Jonnes potansiyeli tanımlanmıştır. Çekme simülasyonundan önce, yapıda oluşabilecek artık gerilmeleri önlemek için enerji minimizasyonu yapılarak bütün atomların optimum konfigürasyonda dizilimi sağlanmıştır. Ardından THE'nin bir yüzeyindeki atomlar sabit tutularak diğer yüzeyine tedrici olarak yer değiştirme yüklemesi yapılmıştır. Latisteki kopma ve dengesizlik oluşmaması için her adımda 0.1 Å yükleme yapılarak 20 döngüde analiz gerçekleştirilmiştir. Analiz neticesinde hem TKGT'nin hem de THE'nin armchair ve zigzag yönleri için gerilime-gerinim eğrileri elde edilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada MDS ve çok-ölçekli analizler kullanılarak TKGT ve THE'nin mekanik davranışı incelenmiştir. 50x50 Å2 boyutlarındaki Tek katmanlı grafen tabaka için Young modülü, çok-ölçekli SE modelinde; 1.06 TPa, moleküler dinamik simülasyon kullanılarak yapılan çalışmada ise 0.93 TPa olarak hesaplanmıştır. Grafen tabakasının iki doğrultusunda da bu değerler (armchair ve zigzag) birbirine çok yakındır. 0.067 hacim fraksiyonuna sahip TKGT ile güçlendirilmiş Al nanokompozitin Young modülünde, kullanılan saf alüminyuma göre çok ölçekli modelde %87 mertebesinde, MDS analizlerinde ise %55 mertebesinde iyileşme tespit edilmiştir. İki yöntem neticesinde elde edilen sonuçlar kendi içinde tutarlılık arz etmektedir. Ayrıca, analitik çözüm (ROM) yaklaşımı ve literatürdeki benzer çalışmalarda elde edilen sonuçlar ile tutarlı değerler elde edilmiştir. Ayrıca, nanokompozit yapı farklı yükleme tiplerine maruz bırakılarak çekme / basma, eğilme ve burulma rijitliklerindeki değişim incelenmiştir. Saf alüminyum referans alındığında, kompozit malzemenin armchair ve zigzag yönlerinde eksenel çekme / basma rijitliği; yaklaşık %75, eğilme rijitliği yaklaşık %90 oranında artmıştır. Düzlem dışı doğrultudaki iyileşme %3 mertebesinde kalmıştır. Burulma rijitliğinde ise kayda değer bir değişiklik tespit edilmemiştir. Modal analiz neticesinde burulma modunun frekansları aynı kalırken, eğilme modunun frekansları %7 mertebesinde ötelenmiştir. Hesaplama maliyeti açısından incelendiğinde, doğrusal çok ölçekli analizin 5 saniyede, doğrusal olmayan çok ölçekli analizin 10 dakikada ve moleküler dinamik simülasyonun 207 dakikada tamamlandığı tespit edilmiştir. Bu tezde gerçekleştirilen çalışmalar neticesinde, Al matrisin ortasına yerleştirilen TKGT sayesinde, mekanik özelliklerinde saf aluminyuma nazaran muazzam bir yükselme tespit edilmiştir. Ayrıca hesaplama maliyeti açısından, çok ölçekli sonlu elemanlar analizinin moleküler dinamik simülasyona nazaran 20 kat daha etkili olduğu tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Graphene is 2D material, which consists of C-atom configured hexagonal lattice in one atom thickness. The specific arrangement of atoms causes to emerge versatile extraordinary properties, i.e. low density, high electrical and heat conductivity, flexibility, transparency and high strength. That is why graphene is the prospective material according to the scientific community. Significant numbers of studies have been conducted to predict mechanical properties of graphene. Physical experiments, molecular dynamic simulations (MDS) and multi-scale Analyses are the principal methods of the related studies. Due to nanoscale size of graphene, physical tests become troublesome and costly. In this point, computational simulations are of great importance. Advancement of computational technologies makes possible modeling physical problem almost each time and dimension scale and solving it. In this thesis, mechanical behavior of graphene reinforced Al nanocomposites are investigated utilizing MDS and multi-scale analyses. In each methodology, analyses are conducted in two-level, i.e. only single layer graphene sheet (SLGS) and representative volume element (RVE) are considered, respectively. In multi-scale analyses, linkage between atomistic and continuum is established using finite element method (FEM). In first level FEM analyses, SLGS is modeled using equivalent Euler-Bernoulli beam elements, which represents covalent bond, and applied uniaxial tensile loading. Young's modulus and Poisson's ratios of SLGS are obtained in armchair and zigzag directions. Moreover, variation of mechanical properties of SLGS with its size is investigated too. In second level FEM analyses, uniaxial tensile behavior of RVE (represents graphene reinforced Al nanocomposite) with volume fraction 0.068 is explored. Al matrix is modeled as continuum using hexahedral solid elements, SLGS modeled with beam element and finally heterogeneous interface modeling method is adopted to transfer load between atomistic and continuum environment. Distance-dependent stiffness properties are assigned utilized beam elements on the interface region. In a similar manner to the first level analyses, uniaxial tensile loading is applied to RVE and obtained Young's modulus. Additionally, for RVEs with different volume fractions and its matrix arbitrary chosen Al alloy, stress-strain curves are acquired utilizing non-linear FE code. Finally, mechanical behaviors of NC subjected to different mechanical loading and vibrational behaviors are investigated using multi-scale FE analyses. Molecular dynamic simulations are conducted using open source code called as LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator). Same process sequence is adopted with multi-scale analyses, i.e. SLGS and RVE. 1008 C atoms and totally 9120 Al and C atoms are utilized to model SLGS and RVE, respectively. Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond-Order (AIREBO) potential is employed for C-atom pairs interaction, however Embedded Atom Method EAM potential is used for Al atom interactions. Lennard-Jones potential is assigned to define non-bonded Al-C atoms interaction also. Firstly, to prevent occurrence residual stresses on molecular structure, energy minimization formulation is executed, so optimum atomic configuration is acquired. Then, uniaxial tensile loading is applied to the RVE. One side of RVE, 2-atom array is fixed and totally 2 Å imposed atom group of the other side, gradually. To prevent rupture or instability on the system 20 loop is used for imposed displacements. At the expense of the analyses, stress- strain curves are obtained both SLGS and RVE along to the armchair and zigzag directions. In conclusion, mechanical behavior of SLGS and RVE are acquired using both multi-scale and MD simulations. Obtained results are compliance with each other utilized method in the present study, Rule of Mixture (ROM) analytical calculations and similar studies exists in the literature also. Embedding the SLGS in the middle of the Al matrix conduce to strength enhancement, tremendously. Moreover, multi-scale analysis and MDS are compared in terms of CPU-times.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    563901

    Investigation of tribological properties of graphene nanoplatelets reinforced metal matrix nanocomposites

    Grafen nanolevha takviyeli metal matrisli nanokompozitlerin tribolojik özelliklerinin incelenmesi

    SEÇKİN MARTİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SİNAN KANDEMİR

  2. Tez No

    465437

    Grafen nano plaka takviyeli alümina-zirkonya kompozitlerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu

    Investigation of microstructure, mechanical properties and cell viability of YSZ toughened alumina composites reinforced with graphene nano plates

    DİLAN ALTAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İPEK AKIN KARADAYI

  3. Tez No

    633301

    Alüminyum matrisli farklı seramik takviyeli kompozitlere grafen ilavesinin termal ve mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of grafen addition on thermal and mechanical properties of different ceramic reinforced aluminum matrix composites

    SAFA POLAT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Metalurji MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAVUZ SUN

  4. Tez No

    749940

    Bor karbür (B4C) ve grafen nano partikül (GNP) takviyeli alüminyum (AA7075) matrisli kompozit zırh tasarımı ve balistik özelliklerinin incelenmesi

    Design and investigation of ballistic behavior of boron carbide (B4C) and graphene nano particle (GNP) reinforced aluminum matrix composite armor

    METİN GÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Savunma ve Savunma TeknolojileriMilli Savunma Üniversitesi

    Harp Silah ve Araçları Anabilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AYHAN AYTAÇ

  5. Tez No

    695338

    Grafen takviyeli alüminyum ve titanyum kompozitlerin elektrokimyasal empedans spektroskopisi ile korozyon davranışlarının incelenmesi

    Investigation of the corrosion behavior of graphenereinforced aluminum and titanium composites byelectrochemical impedance spectroscopy

    HADI KHEZERLOU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEVLÜT GÜRBÜZ

Geri Dön