18648

۱۸۶۴۸

شبيه سازي اثر افزودن گرافن در بهبود خواص مكانيكي نانوكامپوزيتهاي آلومينيوم-گرافن

كارشناسي ارشد

مهندسي نانوفناوري - نانومواد

تيرماه ۱۳۹۶

دكتر صادق صادق زاده

فناوري هاي نوين

آلومينيوم با داشتن نسبت استحكام به وزن بالا و قيمت كم و چگالي پايين در مقايسه با ساير فلزات سبك مي‌تواند بيشترين استفاده به‌عنوان زمينه در كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي را به خود اختصاص دهد ولي استفاده از آلومينيوم و آلياژهاي آن به خاطر استحكام تسليم پائيني كه دارند محدود شده است. ازاين‌رو بررسي كامپوزيت‌هاي پايه آلومينيومي كه توسط گرافن، به‌عنوان يك ماده جايگزين عالي براي دستيابي به خواص مكانيكي بهتر، تقويت مي‌شوند مسئله‌اي مهم به نظر مي‌رسد. از طرفي، به دليل عدم پيوستگي در ابعاد نانو، براي بررسي چنين سيستم‌هايي نمي‌توان از تئوري‌هاي محيط پيوسته استفاده كرد. بهترين جايگزين، روش ديناميك مولكولي است كه برمبناي مكانيك كلاسيك بوده و اخيراً مجموعه‌هاي نرم‌افزاري قابل‌اعتمادي نيز براي اين منظور توسعه‌يافته‌اند كه از آن ¬جمله مي‌توان به نرم¬افزار لمپس اشاره نمود كه در اين تحقيق از آن استفاده مي‌شود. در اين پايان‌نامه، شبيه‌سازي ديناميك مولكولي (MD) نانو كامپوزيت آلومينيوم-گرافن (Al-Gr) انجام‌شده است. خواص مكانيكي آلومينيوم، گرافن و نانوكامپوزيت آلومينيوم-گرافن با اعمال بارگذاري تك‌محوري و كشش از دو انتهاي آن بررسي‌شده است. برهمكنش‌هاي بين اتم‌هاي آلومينيوم با استفاده از پتانسيل روش جاسازي اتم(EAM) مدل گرديد كه در آن پتانسيل بين‌مولكولي تطبيقي واكنش تجربي پيوند سفارشي (AIREBO) براي برهمكنش ميان اتم‌هاي كربن استفاده شد و اين پتانسيل‌هاي جفتي با پتانسيل لنارد جونز (LJ) همراه مي‌شوند. نتايج محاسباتي نشان مي‌دهند كه مدول يانگ و استحكام كششي كامپوزيت Al-Gr بزرگ‌تر از مقادير متناظر براي آلومينيوم خالص است؛ با افزودن 78/0% وزني گرافن به آلومينيوم، مدول يانگ و استحكام نهايي آن به ترتيب Gpa 13 و Gpa 3/2 افزايش مي‌يابد. در شبيه‌سازي نشان داده مي‌شود كه نه‌تنها خواص مكانيكي تك‌كريستال آلومينيوم، بلكه خواص مكانيكي كامپوزيت Al-Gr هم به دما، نرخ كرنش و عيوب ساختاري (حفرات) حساس مي‌باشد؛ افزايش دما، كاهش نرخ كرنش و افزايش قطر حفرات منجر به كاهش خواص مكانيكي همچون مدول يانگ و استحكام كششي مي‌شود كه موافق با پد‌يده‌ها‌ي مشاهده ‌شده در آزما‌يشات با مقياس ماكرو هستند. نتايج شبيه‌سازي ديناميك مولكولي نيز با نتايج تحليلي به‌دست‌آمده از مدل نيمه تجربي Halphin-Tsai (H-T))) و قوانين اختلاط (ROM) مقايسه شده است. واژه‌هاي كليدي: ديناميك مولكولي (MD)، آلومينيوم، گرافن، نانو كامپوز‌يت، خواص مكانيكي

1397/01/20

4/9/2018 12:00:00 AM

Having the high strength to weight aspect ratio, aluminum is the most common material using in metal matrix composites, comparing to other light metals. However, its low tensile strength limited its application. Hence investigation on graphene reinforced aluminum-based composites as a substitution material for qualify better mechanical strength become the interest of study nowadays. Because of discontinuity in nanoscale, continuum theories can't be used. Therefore the best alternative is the molecular dynamics method which is based on the classical mechanic that trustable softwares are developed for this purpose recently. In this study, molecular dynamic simulations are applied on aluminum graphene composite. Mechanical properties of aluminum, graphene and the aluminum-graphene nanocomposite are studied using uniaxial loads and two ends stretching. The interactions between the atoms of Al are modeled using Embedded Atom Method (EAM) potentials, whereas Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond-Order (AIREBO) potential is used for the interactions among carbon atoms and these pair potentials are coupled with the Lennard-Jones (LJ) potential. The result shows that the incorporation of Gn into the Al matrix can increase the Young's modulus and the tensile strength of the nanocomposite substantially. Adding 0.78% wt graphene to aluminum, the Youngs module, and the tensile strength will increase to 13 Gpa and 2.3 Gpa respectively. Simulation data show that temperature, strain rate, and structural defects affect not only the mechanical properties of a single crystal of aluminum but also the mechanical properties of the nanocomposite. Also, results show that increasing in temperature and the void diameters and decreasing in strain rate results in lower mechanical properties such as Young module and tensile strength that are in good agreement with experimental values in macro scale. Results from the molecular dynamics simulations are also compared with analytical results obtained from semi-empirical Halpin-Tsai (H-T) model and the Rule of Mixtures (ROM). Molecular Dynamic, Aluminum, Graphene, Nanocomposite, Mechanical properties