بخشی از مقاله
چکیده
نانو ساختارهای پیچ وخمدارِ گرافن - GNW - نانوساختارهایی بر پایه گرافن هستند که از تقسیمبندی منظم و متناوب نانونوارهای گرافن بدست میآیند. - GNW - هایی که اخیراً در آزمایشگاه سنتز شدهاند، بیانگر این واقعیت است که تغییر شکل این نانوساختارها تاثیر مهمی روی خواص مکانیکی، حرارتی، الکترونیکی و مغناطیسی آنها دارد. در این تحقیق، خواص مکانیکی و الگوهای شکستگی تعداد زیادی از - GNW - ها با اشکال و اندازههای مختلف را با استفاده از شبیهسازی دینامیکمولکولی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که خواص مکانیکی - GNW - ها به شدت وابسته به شکل و اندازه آنها است. به طور کلی در ورقههای باریک استحکام نهایی و مدول یانگ نسبت به اندازه تغییر میکنند. مقادیر مدول یانگ در گسترهای از 100 تا 1000 GPaقرار گرفته و مقادیر استحکام نهایی نیز در طیف وسیعی از 20-110 GPa بسته به شکل - GNW - تخمین زده شده.
در این کار، ما یک بررسی کامل و سیستماتیک از خواص مکانیکی - GNW - و دینامیک شکستگی آن را ارائه می دهیم. تعداد زیادی از اشکال و اندازه های مشخص - GNW - مورد بررسی قرار گرفت، با استفاده از شبیه سازی های دینامیکی واکنش پذیر، مدول یانگ، استحکام نهایی، توزیع تنش فون میزس و الگوهای شکست برای بیش از 1000 ساختار منحصر به فرد را محاسبه می کنیم. برای بررسی وابستگی دما به دو دما مختلف،10 k و300 k مورد استفاده قرار گرفت. نتایج ما نشان می دهد که پاسخ مکانیکی - GNW - میتواند با طیف وسیعی از مقادیر تنظیم شود، در حالی که حساس به مقادیر P ، O، LpوL0 هستند. این رفتار مکانیکی قابل تنظیم در ارتباط با خواص الکترونیکی و مغناطیسی قابل تنظیم ساختارهای بسیارجذاب - GNW - را به عنوان مواد کاربردی پیشرفته مورد بهره برداری قرار می دهد.
روش انجام محاسبات
در این تحقیق از طریق شبیه سازی دینامیک مولکولی با استفاده از نیروی واکنش نیروی .[4] ReaxFF همانطورکه در بسته شبیه سازی [5] LAMMPS با استفاده از یک مرتبه - 0,05fs - در دو دما مختلف،10 K و 300 K انجام شده است. نتایج بحث شده در زیر برای10 K است مگر اینکه گفته شود که نتایج K 300 خواهد شد.ReaxFF پتانسیلی است که به طور کلی به فاصله وابسته است و تعاملات والس و کولب به صراحت در نظر گرفته شده است. این پتانسیل میتواند به طور قابل ملاحظهای شکل گیری و جداسازی نوارهای شیمیایی میان اتمها را توصیف کند در نتیجه میتوان به مطالعه واکنشهای شیمیایی به وسیله این پتانسیل پرداخت.
برای انجام محاسبات استرس / فشار، ابتدا به دقت سیستم را به حالت تعادل می رسانیم، ساختارها با استفاده از یک مجموعهNPT، تنظیم فشار خارجی را به سمت مسیرهای دوره ای انجام می دهند. و به طور مداوم - تا زمان شکست مکانیکی - ساختار را تحت اعمال فشار در جهت های دوره ای قرار دادیم. مقادیر استرس در هر مرحله از زمان محاسبه شد. ما نرخ کرنش را 1× 10-5 fs در نظر گرفتیم که پس از چند آزمایش کافی بود.
برای به دست آوردن مقادیرفشار، ما تانسور تنش را با استفاده از رابطه زیر محاسبه کردیم: که در آن V = l × A حجم ساختار، N تعداد اتم ها، v است سرعت، r موقعیت اتم و f نیروی در اتم. حجم GNW در طی فرآیند کشش و سطح کل در محدوده صفر محاسبه شد A0 . - A0 - با ضرب کل طول و عرض کل محاسبه شد از - GNW - و سپس محدوده مناطق استراحت را که محاسبه می کنند خالی هستند فرض بر این بود که کل منطقه به طور خطی رشد می کند. ما ضخامت گرافن را l=3,4A گرفتیم.
منحنی های تنش-کرنش با استفاده از جزء تک محوری حاصل می شود از تانسور تنش در طول مسیر - i - و فشار - - که به عنوان یک مقدار بدون بعد تقسیم تغییر شکل واقعی تعریف شده است با اندازه اولیه ساختار در امتداد این جهت: تغییر در مسیر i است، طول اولیه ساختار است. مقادیر مدول یانگ را می توان به عنوان رابطه بین استرس یکسانی و سویه اعمال شده در طول مسیر دوره ای در حالت خطی جایی که جزء دوم تانسور استرس است . ما همچنین مقادیر استرس فون میوز را برای هر اتم محاسبه کردیم اطلاعات مربوط به توزیع استرس در ساختار تنش را بدست آوریدیم. ممکن است به راحتی توزیع آن را در کل نشان داده شود.
نتایج و بحثها
در ابتدا، ما ساختارهای پایدار GNW را در دمای کم بررسی کردیم. این ساختارها از طریق فرآیند گرمازایی به دست آمده است.سطح GNW - - بستگی به خانواده - - AA,AZ,ZA,ZZ و به مقادیر P و O دارد. خانواده AA با ارائه مقادیر قابل توجهی برای سازه های با مقادیر بزرگ P ، کوچکترین سطوح را ارائه میدهد. برای خانواده AZ، سطوح برای مقادیر بزرگ P و مقادیر کوچک O بسیار قابل توجه است اما برای مقادیر کوچک P ، بسیار کوچک است. در خانواده ZA، سطح برای مقادیر بزرگ O افزایش می یابد. در نهایت، برای خانوادهZZ ، سطح فقط برای سازه هایی با مقادیر بسیار کمی از O و P کوچک می شود، در غیر این صورت سطح قابل توجهی دارد.
با افزایش فشار، تمام سطوح شروع به کاهش می کنند و زمانی که تنش شروع به افزایش می کند، ناپدید می شود. در این نقطه استرس شروع به افزایش خطی می کند، و رفتار الاستیکی مواد را مشخص می کند .در این حالت، هیچ تغییر شکل الاستیکی وجود ندارد، به عنوان مثال، ساختار به تنظیمات اولیه خود بازگشته است، در صورتی که کشش حذف شود همانطور که فشار همچنان افزایش می یابد، استرس افزایش می یابد ساختار جدید رفتار غیر خطی تا زمانی که به نقطه c برسد دارد. در این مرحله، روند شکست شروع می شود و مقادیر تنش سریع به صفر می رسد. منحنی تنش- فشار برای یک ساختار هر خانواده در شکل 1 جایی که هر خط می تواند به راحتی شناسایی شود.
در طی فرآیند کشش، متوجه می شویم استرس فون میزس تجمع می یابد در یک خط مرزی در امتداد جهت طولی - GNW - و حداکثر مقدار آن در گوشه های داخلی ساختار، همانطور که در شکل - 2 - دیده می شود. این را می توان با این واقعیت توضیح داد که مناطق به دور از این خط مرکزی می توانند به راحتی از تنش های ناشی از محدودیت های محدود خود استفاده کنند فقط خط مرکزی در دو طرف در امتداد کرنش اعمال شده محدود شده است.
گوشه های داخلی انباشت اضطراب بیشتری نسبت به بقیه خط مرکزی به علت عدم تعادل نیروی ناشی از عدم وجود همسایگان در یک جهت انباشته می شود که نیروهای واکنش داخلی را که در
غیر این صورت توزیع استرس را از بین می برد، حذف می کند. بدیهی است که نقصها می توانند به طور محلی مواد را تضعیف کنند، به این ترتیب که شکستگی در آن ناحیه و در مقادیر استرس پایین تر نسبت به مواد اولیه بکار گرفته می شود 7]و.[6 انتظار می رود که استحکام نهایی - GNW - باید کمتر از گرافن باشد و شکست در این ساختارها رخ دهد این دقیقا همان چیزی است که ما در شبیه سازی های ما مشاهده کردیم. از آنجا که قویترین - GNW - هنوز از گرافن ضعیف تر است، معمولا شکاف ها در رأس های پیچوخم شکل می گیرد این رفتار برای همه خانواده های مجزا - GNW - مورد بررسی قرار گرفت ماهیت فرایند شکست بسیار به شکل ساختارها بستگی دارد، همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است.
رفتار ورقه ای مشاهده شده است و پارگی کامل تنها برای مقادیر کرنش بیشتر از 0,3 است. با چند مرحله متوالی، همانطور که در شکل - 1 - متفاوت از کاهش ناگهانی مشاهده شده برای گرافن و ساختار A4 - ، - GNW - - A20 مراحل در منحنی تنش / فشار منجر به یک فرآیند باز شکسته در شکستن پیوند می شود که منجر به رسانایی فوق العاده می شود .به طور کلی، رسانایی برای سازههای با بخش های موازی بزرگ، یعنی مقادیر بزرگ P مشاهده شد. رسانایی برای خانواده ZZ با برخی ساختارها واضحتر بود رسیدن به مقادیر نهایی کرنش تا .0,5 مقادیر نهایی گزارش شده در اینجا بزرگتر از آنهایی است که قبلا توسط Xu و همکاران گزارش شده است. ما مشاهده کردیم که شکستگی های - GNW - معمولا در امتداد خطوط مورب پخش می شوند.
