Molecular dynamics simulations of interfacial behavior in industrial composite materials
Endüstriyel kompozit malzemelerde ara yüzey davranışının moleküler dinamik simülasyonları
- Tez No: 982213
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İLKNUR ERUÇAR FINDIKÇI, DR. AYDIN ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kompozit malzemeler, hafiflikleri, yüksek mukavemet/ağırlık oranları ve korozyon dirençleri nedeniyle havacılık, otomotiv ve savunma sanayilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sektörlerin ötesinde, kompozitlerin kullanımına yönelik iki önemli alan ise inşaat sektörü ve doğal gaz ayrımıdır. İnşaat alanında, geri dönüştürülmüş kauçuk içeren çimento esaslı kompozitler, hem betonun performansını artırmak hem de her yıl yaklaşık bir milyar adet atık lastiğin çevresel etkisini azaltmak için umut verici bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Gaz ayrımında ise, polimer esaslı kompozit membranlar genellikle gözenekli nanoparçacıkların bir polimer matrise gömülmesiyle üretilir, bu sayede membranların ayırma performansı ve dayanıklılığı artırılır. Her iki endüstride de, kompozit malzemelerin performansı, bileşenleri arasındaki uyumluluk tarafından büyük ölçü\-de etkilenmektedir. Kauçuk/beton kompozitlerinde, kauçuk parçacıklarının hidrofobik doğası, onların hidrofilik çimento matrisiyle olan yapışmasını zayıflatmaktadır ve bu durum, kompozitin dayanımını olumsuz etkilemektedir. Bu sınırlamayı aşmak için, kauçuk ve beton arasındaki ara yüzey bağının iyileştirilmesi, yüksek performanslı ve sürdürülebilir yapı malzemelerinin geliştirilmesi açısından gereklidir. Bu motivasyonla, tezin ilk bölümünde kauçuk/kalsiyum silikat hidrat (CSH) ara yüzeyine ait atomistik modeller oluşturulmuştur ve moleküler dinamik (MD) simülasyonları ile bu ara yüzeyin yapısal özellikleri radyal dağılım fonksiyonu (RDF) ve ara yüzey yapışma enerjisi hesaplamaları yoluyla incelenmiştir. Ardından, kauçuk ve çimento arasındaki bağlanmayı iyileştirmek amacıyla çeşitli yüzey modifikasyon stratejileri değerlendirilmiştir. Bu kapsamda, beton ve kauçuk arasına poliakarboksilat eter (PCE), karboksimetil selüloz (CMC) ve polivinil alkol (PVOH) gibi farklı polimerler dahil edilmiştir. Bu çalışmalar sonucunda, kauçuk/beton/PCE kompozitinin, kauçuk-beton kompozitine kıyasla ara yüzey yapışma enerjisinde %7,3'lük bir artış sağladığı gözlemlenmiştir. Ardından, CMC ve PVOH polimerlerinin bağlanma performansları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda, kauçuk/beton/CMC kompoziti, kauçuk/beton/PVOH sistemine kıyasla %17,08 daha yüksek ara yüzey yapışma enerjisi sergilemiştir. Tezin ikinci bölümünde, doğal gaz ayrımında kullanılan kompozit malzemelerin karbondioksit (CO2) ayırma performansları incelenmiştir. Zeolitik imidazolat çerçevesi-8, ZIF-8 ve mikrogözenekliliğe sahip PIM-1 polimeri ara yüzeyine ait atomik modeller oluşturulmuştur. Gaz ayırma davranışını değerlendirmek için, Grand Kanonik Monte Carlo (GCMC) ve moleküler dinamik (MD) simülasyonlarından elde edilen adsorpsiyon ve difüzyon verileri kullanılarak, klasik Maxwell ve modifiye edilmiş Felske gaz geçirgenlik modelleri uygulanmıştır. Hem saf PIM-1 polimerini hem de amin fonksiyonel gruplarla modifiye edilmiş PIM-1 (AF-PIM-1) polimerini, kristal ZIF-8 (cryZIF-8) ve basınç altında sıkıştırılmış ZIF-8 ([email protected] GPa) ile birleştirerek farklı karışık yataklı membranlar (MMM) hazırlanmıştır. Sonuçlarımız, [email protected] GPa içeren MMM'lerin, cryZIF-8 içerenlere kıyasla PIM-1 ile birleşiminde ara yüzey yapışma enerjisinde %1,4 oranında hafif bir artış gösterdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca, modifiye edilmiş Felske modeli, MMM gaz geçirgenliği için Maxwell modeline göre deneysel veriye daha yakın tahminler sunmuştur. ZIF'ler, polimerler ve beton gibi farklı malzeme sınıflarının analiz edilmesiyle, bu tez, hedeflenmiş yüzey veya dolgu malzemesi modifikasyonlarının ara yüzey bağlanmasını artırabileceğini göstermektedir. Elde edilen bulgular, hem inşaat sektöründe atık lastiklerin geri dönüşümüne hem de gaz ayrımı için yeni membranların geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Composite materials are widely used in aerospace, automotive, and defense industries due to their excellent strength, high stiffness-to-weight ratio and corrosion resistance. Beyond these sectors, two other important areas for composites are the construction industry and natural gas purification. In construction, cementitious composites that incorporate recycled rubber have emerged as a promising approach to enhance concrete performance while mitigating the environmental impact of waste rubber, with nearly one billion tires discarded annually. In gas purification, polymer-based composite membranes are typically fabricated by embedding porous nanoparticles into a polymer matrix, thereby improving the separation performance and durability of the membranes. In both industries, the performance of composite materials is strongly influenced by the compatibility between their constituent components. In rubber/concrete composites, the hydrophobic nature of rubber particles weakens their adhesion to the hydrophilic cement matrix, compromising the strength and durability of the composite. To overcome this limitation, improving the rubber-concrete interfacial bond is required to develop high-performance, sustainable construction materials. With this motivation, in the first part of the thesis, we build atomistic models of the rubber/Calcium Silicate Hydrate (CSH) interface and perform Molecular Dynamics (MD) simulations to investigate its structural properties using Radial Distribution Function (RDF) and by calculating the interfacial adhesion energy. We then evaluated several surface modification strategies to improve the bonding between rubber and cement. Specifically, we considered different polymers, including Polycarboxylate Ether (PCE), Carboxymethyl Cellulose (CMC) and Polyvinyl Alcohol (PVOH) between concrete and rubber. Among these, the rubber/concrete/PCE composite showed a 7.3% increase in interfacial adhesion energy of compared to the unmodified rubber-concrete composite. In addition, when comparing the binding performance of CMC and PVOH, the rubber/concrete/CMC composite exhibited a 17.08% higher interfacial adhesion energy than the rubber/concrete/PVOH system. In the second part of this thesis, we investigated the carbon dioxide (CO2) separation performance of composite materials used in the natural gas purification. We build atomistic models of Zeolitic Imidazolate Framework-8(ZIF-8)/Polymer of Intrinsic Microporosity-1 (PIM-1) interface. To assess gas separation behavior, we employed gas permeation models, including the classical Maxwell model and the modified Felske model, using adsorption and diffusion data obtained from Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) and MD simulations. We studied both pristine PIM-1 and amine-functionalized PIM-1 (AF-PIM-1), each combined with either crystal ZIF-8 or ZIF-8 under pressure ([email protected]), to construct a variety of Mixed Matrix Membranes (MMMs). Our results showed that MMMs incorporating [email protected] with PIM-1 exhibit a modest (1.4%) increase in interfacial adhesion energy compared to those containing cryZIF-8 with PIM-1. Additionally, the modified Felske model provided more accurate predictions of MMM permeability, showing lower deviation from experimental results than the Maxwell model. By analyzing different material classes including ZIFs, polymers and concrete, this thesis demonstrates that targeted surface or filler modifications can enhance interfacial bonding. The findings contribute to both the recycling of waste tires in the construction sector and the development of advanced membranes for gas separation.
Benzer Tezler
- Multi-scale study of the dynamics of self-organizing molecular systems
Kendi kendine örgütlenen moleküler sistemlerin dinamiğinin çok-ölçekli incelenmesi
GÖKHAN KAÇAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiDR. ALİMET SEMA ÖZEN
PROF. DR. CANAN ATILGAN
- Molecular dynamics studies on heat transfer control between water and silica using nanoscale surface patterns
Su ve silika arasındaki ısı transferinin nano-ölçek yüzey yapıları kullanarak kontrolü üzerine moleküler dinamik çalışmaları
CELAL CAN ÖZEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT BARIŞIK
- Designed-in molecular interactions and cross-linking interface for superior nanocomposites: A multi-scale insight
Moleküler etkileşimlerin ve çapraz bağlanmış arayüzün üstün nanokompozit malzemeler için tasarımı:Bir çok-boyutlu anlayış
ELİF ÖZDEN YENİGÜN
Doktora
İngilizce
2013
Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELİH PAPİLA
- Innovative brazing of Ti-6Al-4V and inconel 718 using cobalt coated BNi-2 powders
Kobalt kaplanmış BNi-2 kullanarak Ti-6Al-4V ve inconel 718 için yenilikçi sert lehimleme
TANSU GÖYNÜK
Doktora
İngilizce
2025
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSHAK KARAKAYA
PROF. DR. ZİYA ESEN
- Accelerating the discovery of conducting polymergraphene nanocomposites via high-performance computing and high-throughput screening
Yüksek performanslı hesaplama ve yüksek verimli tarama yöntemleriyle iletken polimer-grafen nanokompozitlerinin keşfinin hızlandırılması
TUĞBA HACIEFENDİOĞLU AYDIN
Doktora
İngilizce
2025
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EROL YILDIRIM