Luận văn Nghiên cứu dạng phá hủy thứ III của vật liệu graphene một lớp đơn sử dụng phương pháp cơ học phân tử
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÔ MẠNH TUẤN
NGHIÊN CỨU DẠNG PHÁ HỦY THỨ III CỦA VẬT
LIỆU GRAPHENE MỘT LỚP ĐƠN SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC PHÂN TỬ
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103
SKC 0 0 6 3 5 2
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2019
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Ngô Mạnh Tuấn
Ngày, tháng, năm sinh: 11/11/1993
Quê quán: Ninh Bình
Giới tính: Nam
Nơi sinh: Đắk Lắk
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số nhà 27 Tổ 6, Khu phố Long Đức 1, Phƣờng
Tam Phƣớc, Tp.Biên Hòa, Tỉnh Đồng Nai.
Điện thoại cơ quan:
Fax:
Điện thoại nhà riêng:
E-mail: [email protected]
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
Hệ đào tạo: Cao đẳng chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2012 đến 9/2015
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2015 đến 9/2017
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp
- Chuyên đề 1 : Truyền Động Dầu Ép Trong Máy Công Nghiệp.
- Chuyên đề 2 : Điều Khiển Quá Trình ( Process Control )
- Chuyên đề 3 : CAE
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Ngƣời hƣớng dẫn:
i
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
- PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn
- ThS. Võ Lâm Chƣơng
- TS. Hoàng Trung Kiên
3. Thạc sĩ :
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 4/2018 đến 10/ 2019
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí
Tên luận văn: NGHIÊN CỨU DẠNG PHÁ HỦY THỨ III CỦA VẬT LIỆU
GRAPHENE MỘT LỚP ĐƠN SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP CƠ HỌC PHÂN
TỬ.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: ngày 26 tháng 10 năm 2019. Tại Trƣờng Đại Học
Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Minh Kỳ
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
9/2017
Nơi công tác
Công Ty TNHH Cơ Khí Chính Xác
Anh Gia
Công việc đảm nhiệm
Kỹ thuật viên
ii
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng đề tài: “ Nghiên cứu dạng phá hủy thứ III của vật liệu
Graphene một lớp đơn sử dụng phƣơng pháp cơ học phân tử ” là công trình nghiên
cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 10 năm 2019
Học Viên
Ngô Mạnh Tuấn
iii
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn luận văn của em là TS. Nguyễn
Minh Kỳ, Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM, ngƣời đã động viên, tạo mọi
điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em hoàn thành luận văn tối nghiệp này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới những ngƣời thân trong gia đình, tất cả bạn bè
thân thiết ủng hộ, động viên trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ trong quá trình
nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Kính chúc Quý thầy, cô thật nhiều sức khỏe.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 10 năm 2019
Học Viên
Ngô Mạnh Tuấn
iv
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
TÓM TẮT
Cách thức vết nứt lan truyền qua vật liệu giúp hiểu rõ hơn về chế độ đứt gãy. Một
vết nứt dễ uốn thƣờng sẽ không lan truyền trừ khi áp lực gia tăng đƣợc áp dụng và
thƣờng ngừng lan truyền khi tải đƣợc loại bỏ.
Một mô hình phần tử liên kết hữu hạn dựa trên nguyên tử để dự đoán sự phá vỡ chế
độ xé (chế độ III) của tấm graphene đơn lớp (SLGS) đƣợc phát triển. Mô hình sử dụng
năng lƣợng Morse đã sửa đổi để dự đoán mối quan hệ biến dạng cực đại của các tấm
graphene. Sự phá vỡ liên kết ở chế độ III của graphene dƣới tải trọng cắt ngoài mặt
phẳng đƣợc nghiên cứu với các mô phỏng cơ học phân tử mở rộng. Cơ học phân tử
đƣợc sử dụng để mô tả sự dịch chuyển của các nguyên tử trong khu vực gần đầu vết
nứt và cơ học đứt gãy đàn hồi tuyến tính đƣợc sử dụng bên ngoài khu vực này. Bài
nghiên cứu này cho thấy phƣơng pháp cơ học phân tử có thể cung cấp một phƣơng
pháp đáng tin cậy và đơn giản để xác định không chỉ các tính chất của SLGS mà cả độ
bền gãy chế độ III của nó theo hƣớng armchair. Và kết quả của phƣơng pháp MM đã
thu đƣợc và so sánh với kết quả lý thuyết, liên kết giữa các nguyên tử Graphene bị phá
vỡ tại giới hạn cực đại tại điểm 19% sẽ cho ta giá trị của K là 2.08 MPa .
√
III
v
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
ABSTRACT
The way the crack propagates through the material helps to better understand the
fault regime. A ductile cracks often will not spread unless increasing pressure is
applied, and usually stop spread when load is removed.
An atomistic-based finite bond element model for predicting the tearing mode
(mode III) fracture of a single-layer graphene sheet (SLGS) is developed. The model
uses the modified Morse potential for predicting the maximum strain relationship of
graphene sheets. The mode III fracture of graphene under out-of-plane shear loading is
investigated with extensive molecular mechanics simulations. Molecular mechanics is
used for describing the displacements of atoms in the area near a crack tip, and linear
elastic fracture mechanics is used outside this area. This work shows that the molecular
mechanics method can provide a reliable and yet simple method for determining not
only the shear properties of SLGS but also its mode III fracture toughness in the
armchair. And method MM results were obitaned and compared with theoretical
findings, the bond between the Graphene atoms is broken at the maximum at 19%,
which gives the value of KIII of 2.08 MPa .
√
vi
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
MỤC LỤC
Trang tựa
Trang
LÝ LỊCH KHOA HỌC ....................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................iii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................iv
TÓM TẮT ....................................................................................................................... v
ABSTRACT...................................................................................................................vi
MỤC LỤC.....................................................................................................................vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT...........................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH..............................................................................................xi
Chƣơng 1....................................................................................................................... 13
TỔNG QUAN ............................................................................................................... 13
1.1 Tổng quan hƣớng nghiên cứu ............................................................................. 13
1.1.1 Nguyên cứu trong nƣớc.................................................................................13
1.1.2 Nguyên cứu ngoài nƣớc ................................................................................14
1.2 Tính cấp thiết của đề tài...................................................................................... 16
1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ............................................................... 17
1.3.1 Ý nghĩa khoa học...........................................................................................17
1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn...........................................................................................17
1.4 Mục đích nghiên cứu, khách thể nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cứu.................. 17
1.4.1 Mục đích nghiên cứu.....................................................................................17
1.4.2 Khách thể nghiên cứu...................................................................................18
1.4.3 Đối tƣợng nghiên cứu....................................................................................18
1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài ............................................................. 18
1.5.1 Nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................................18
1.5.2 Giới hạn đề tài ...............................................................................................19
1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 19
vii
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
Chƣơng 2....................................................................................................................... 20
CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................................... 20
2.1 Tổng quan về vật liệu Graphene ......................................................................... 20
2.1.1 Khái niệm ......................................................................................................20
2.1.2 Lịch sử ra đời Graphene................................................................................21
2.1.3 Cấu trúc tinh thể của Graphene.....................................................................24
2.1.4 Tính chất của Graphene ................................................................................24
2.1.5 Phân loại Graphene .......................................................................................27
2.1.6 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của chất bán dẫn Graphene. ..................................31
2.1.7 Các phƣơng pháp chế tạo Graphene .............................................................32
2.1.8 Ứng dụng của Graphene................................................................................35
2.2 Cơ sở toán học..................................................................................................... 39
Chƣơng 3....................................................................................................................... 41
PHƢƠNG PHÁP CƠ HỌC PHÂN TỬ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ................... 41
3.1 Tổng quan giới thiệu về phƣơng pháp cơ học phân tử ....................................... 41
3.2 Mô hình cơ học phân tử ...................................................................................... 44
3.1.1 Bond Stretching ( Kéo dọc trục) ...................................................................46
3.1.2 Bond angle (Chịu uốn của 2 bond ở góc liên kết).........................................47
3.1.3 Bond inversion (Chịu uốn – xoắn của bond theo hƣớng khác mặt phẳng)...50
3.3 Mô tả vấn đề........................................................................................................ 51
3.3.1 Phân tích chi tiết về Graphene ......................................................................51
3.3.2 Dự đoán hệ số cƣờng độ ứng suất.................................................................54
3.3.3 Mô phỏng vết nứt trên MD ...........................................................................56
Chƣơng 4....................................................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 63
4.1 Kết luận............................................................................................................... 63
4.2 Kiến Nghị............................................................................................................ 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 65
PHỤ LỤC...................................................................................................................... 69
viii
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
TT
1
Viết tắt
SLGS
GR
Từ tiếng anh đầy đủ
Single Layer Graphene Sheet
Graphene
Nghĩa tiếng việt
Tấm graphene đơn lớp
Graphene
2
3
XFEM
Xtend Finite Element Method
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn
mở rộng
4
5
6
7
MD
MM
Molecular Dynamics
Molecular Mechanics
Finite Element
Động học phân tử
Cơ học phân tử
FE
Phần tử hữu hạn
LAMMPS
Large-scale Atomic Molecular
Massively Parallel Simulator
Visual Molecular Dynamics
Angle-resolved photoemission
spectroscopy
8
9
VMD
ARPES
Quang phổ quang phân giải góc
10
11
12
13
CVD
MC
Chemical Vapour Deposition
Micromechanical Cleavage
Liquid Phase Exfoliation
Thermal Chemical Vapour
Deposition
Ngƣng đọng pha hơi hóa học
Phân cắt vi cơ
LPE
Bóc tách pha lỏng
Ngƣng đọng pha hơi nhiệt hóa
học
Thermal
CVD
14
15
16
17
18
MBE
OLED
Molecular Beam Epitaxy
Organic Light Emiting Diode
Open Mode
Epitaxy chùm phân tử
Mở ra theo chiều vuông góc
Sliding Mode
Trƣợt
Tearing Mode
Xé
ix
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
19
20
21
AC
ZZ
Armchair
Zigzag
ITO
Indium-Tin-Oxide
x
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình
Trang
Hình 1.1: Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử carbon ........... 8
Hình 2.1: Màng Graphene ........................................................................................... 9
Hình 2.2: Ống nano cacbon ....................................................................................... 11
Hình 2.3: Các phân tử fullerene C60, ống nano carbon, và graphite đều có thể xem là
hình thành từ các tấm graphene, tức là những lớp đơn nguyên tử của carbon sắp xếp
trong một cấu trúc hình tổ ong ................................................................................... 12
Hình 2.4 : Graphen không tồn tại trong một mặt phẳng tuyệt đối (a), nhƣng hiện hữu
với mặt lồi lõm của không gian 3 chiều (b) ............................................................... 13
Hình 2.5 : Kích thƣớc nguyên tử Graphene ................................................................. 14
Hình 2.6: Ảnh minh họa vết lõm của một tấm graphene đơn nguyên tử chụp qua đầu
mút kim cƣơng của kính hiển vi lực nguyên tử ........................................................... 15
Hình 2.7 : Cấu trúc tinh thể của Graphene (a). Hình ảnh hiển vi quang học của lớp
Graphene đơn (b) ......................................................................................................... 17
Hình 2.8: Cấu trúc vùng năng lƣợng của Graphene đơn ............................................. 18
Hình 2.9: Cấu trúc vùng năng lƣợng của lớp kép Graphene có cấu trúc đối (a). Cấu
trúc vùng năng lƣợng của lớp kép Graphene không đối xứng (hình màu xanh) (b) .... 18
Hình 2.10: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp Graphen kép .................................... 19
Hình 2.11 : Cấu trúc dải của một mẫu graphene mọc ghép đa lớp ............................. 20
Hình 2.12 : Graphene xếp tầng trên bề mặt một chất nền silicon carbide đƣợc chụp với
kính hiển vi lực nguyên tử ............................................................................................ 20
Hình 2.13 : Giản đồ một số phƣơng pháp chính sử dụng tổng hợp graphene ............ 25
Hình 2.14 : Cấu tạo của OLED sử dụng Graphene làm lớp điện cực trong suốt......... 26
Hình 2.15 : Một số lĩnh vực ứng dụng của graphene .................................................. 27
Hình 2.16 : Sơ đồ và cơ chế dẫn điện của graphene trong pin mặt trời....................... 28
xi
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
Hình 2.17 : Các dạng đứt gãy của Graphene và bài kiểm tra độ bền thƣờng đƣợc sử
dụng, mũi tên chỉ hƣớng của tải trọng áp dụng ........................................................... 30
Hình 2.18 : Trục tọa độ ở đầu vết nứt ....................................................................... 31
Hình 3.1 : Biến cấu trúc và các thuật ngữ năng lƣợng tƣơng ứng của một tế bào
graphene ....................................................................................................................... 34
Hình 3.2 : Sơ đồ mô hình cơ học phân tử ................................................................... 36
Hình 3.3 : Sơ đồ sơ đồ cho khả năng liên kết chi tiết của SLGS ................................ 37
Hình 3.4 : Mối quan hệ giữa lực kéo căng F và biến dạng liên kết ε .......................... 39
Hình 3.5 : Mô hình toán học quá trình đứt gãy của một nguyên tử Graphene ........... 40
Hình 3.6 : Cơ sở toán học ............................................................................................ 40
Hình 3.7 : Mối quan hệ giữa góc Teta và biết dạng liên kết ...................................... 41
Hình 3.8 : Mối quan hệ giữa uốn ở góc liên kết và biến dạng liên kết ...................... 42
Hình 3.9 : Mô hình toán học quá trình đứt gãy của góc chịu uốn - xoắn .................... 42
Hình 3.10 : Mối quan hệ giữa góc Omega và biến dạng liên kết ................................ 43
Hình 3.11 : Mối quan hệ giữa Momen uốn – xoắn và biến dạng liên kết ................... 43
Hình 3.12 : Cấu hình của một tấm graphene với một vết nứt ..................................... 45
Hình 3.13 : Các mô hình mô phỏng của tấm graphene: lực căng đơn hƣớng dọc theo
(a) hƣớng zigzag (trục y) và (b) hƣớng armchair (trục x) ............................................ 47
Hình 3.14 : Mối quan hệ giữa hệ số cƣờng độ ứng suất (KIII) và biến dạng liên kết ε
....................................................................................................................................... 49
Hình 3.15 : Sơ đồ mô hình cơ học phân tử ................................................................. 50
Hình 3.16 : Mô phỏng hình thành vết nứt qua các bƣớc tải khác nhau từ VMD ........ 53
Hình 3.17 : Mối quan hệ giữa biến dạng tới hạn và bƣớc tải....................................... 54
xii
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan hƣớng nghiên cứu
1.1.1 Nguyên cứu trong nƣớc
- Đề tài: “ Fracture analysis of single layer graphene sheets” (Phân tích vết nứt của
tấm graphene một lớp). Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 35A, 3-2016 [1].
Một công thức đã đƣợc phân tích và thiết lập từ sự biến dạng và chịu uốn cơ học
của các trạng thái liên kết C-C để diễn tả sự phá hủy theo tiêu chuẩn thứ nhất
(open mode hoặc mode I) của vật liệu Graphene đơn lớp. Sự phá hủy của tấm
Graphene đơn lớp này do hai yếu tố sinh ra là chịu kéo và chịu uốn xoắn đồng
thời sinh ra ở đầu vết nứt. Điều đó chứng tỏ rằng, khi chúng ta dùng tiêu chuẩn
thứ nhất để phân tích thì các liên kết ở đầu vết nứt sinh ra chịu uốn và kéo dọc
trục và sau đó nó sẽ lan truyền đến các vị trí tiếp theo.
Kết quả: Sự phá hủy của tấm vật liệu Graphene đơn lớp đƣợc hình thành là do sự
gia tăng ứng suất ở đầu vết nứt và nó tập trung vào giữa các liên kết, biến dạng
của liên kết này vƣợt quá giới hạn và sinh ra đứt liên kết.
-
Đề tài : “Khảo sát ảnh hưởng của vị trí vết nứt đến dao động của tấm bằng phương
pháp phần tử hữu hạn mở rộng XFEM”,Tạp chí Khoa học - Trƣờng ĐH Quy Nhơn,
ISSN: 1859-0357, Tập 12, Số 1, 2018, Tr. 139-149 [2].
Bài báo này trình bày các kết quả khảo sát ảnh hƣởng của vị trí và chiều dài vết
nứt đến dao động của tấm đồng nhất, đẳng hƣớng. Tần số dao động riêng của tấm
bị nứt đƣợc xác định từ chƣơng trình tính toán sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu
hạn mở rộng (XFEM) dựa trên mô hình phần tử tứ giác đẳng tham số Q8.
Kết quả: Các kết quả tính toán khi dùng XFEM_Q8 so với phƣơng pháp khác
hoàn toàn phù hợp, điều đó cho thấy khi xác định bằng XFEM_Q8 cho kết quả
chính xác. Đồng thời, trong bài toán cho thấy khi chiều dài vết nứt càng tăng thì
13
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
tần số dao động riêng càng nhỏ, điều đó thể hiện độ cứng tổng thể của tấm khi bị
nứt giảm đi làm cho kết cấu dễ bị phá hoại.
- Đề tài : “Nghiên cứu sự lan truyền vết nứt dạng Mixed-Mode bằng thực nghiệm và
xây dựng mô hình tính toán dùng ANSYS vật liệu composite sợi carbon”, Hoàng
Phƣơng Hoa, Đàm Nguyễn Anh Khoa. Tạp chí giao thông vận tải, ISN 0866-7012,
2012 [3] .
Bài báo giới thiệu phƣơng pháp nghiên cứu sự lan truyền vết nứt thông qua các
mẫu thử dạng Mixed- Mode bằng thực nghiệm và bằng phƣơng pháp xây dựng
mô hình trên máy tính điện tử. Phần mềm ANSYS đã đƣợc sử dụng để đƣa ra kết
quả của bài báo. Kết quả thực nghiệm cho chúng ta xác định đƣợc giá trị lực tới
hạn để tính năng lƣợng mất đi tới hạn của kết cấu làm cho vết nứt có thể phát triển
hay không bằng cách so sánh năng lƣợng mất đi tính toán theo kỹ thuật “vết nứt
ảo” của Irwin với năng lƣợng mất đi tới hạn. Trƣờng hợp năng lƣợng mất đi nhỏ
hơn năng lƣợng mất đi tới hạn nghĩa là vết nứt không phát triển,trƣờng hợp ngƣợc
lại vết nứt phát triển.
1.1.2 Nguyên cứu ngoài nƣớc
- Đề tài : “Analysis of Mode I Fracture Toughness of Single Layer Graphene
Sheet”,(Phân tích dạng phá hủy thứ I của vật liệu Graphene một lớp đơn), Journal of
Mechanical Science and Technology Volume 28, Issue 9, pp 3645-3652 [4].
Để dự đoán độ bền gãy của tấm graphene đơn lớp (SLGS), các công thức phân
tích đã đƣợc đƣa ra cho mạng tinh thể tổ ong lục giác bằng cách sử dụng cấu trúc
khung rời rạc tƣơng đƣơng. Liên kết bị phá vỡ đƣợc xác định bởi sự gia tăng
mạnh ở vị trí của các nguyên tử. Khi quá trình lan truyền vết nứt tiến triển, vị trí
đầu vết nứt và đƣờng nứt đƣợc cập nhật từ các liên kết bị hỏng trong mô hình
động lực phân tử (MD). Ở mỗi bƣớc trong mô phỏng, mô hình nguyên tử đƣợc tập
trung vào đầu vết nứt. Một công thức mới đã đƣợc phân tích từ cơ chế biến dạng
và uốn của các liên kết carbon-carbon trạng thái rắn để mô tả chế độ gãy I của
SLGS. Độ bền gãy của graphene đơn lớp bị chi phối bởi sự cạnh tranh giữa phá
vỡ liên kết và xoay chuyển ở đầu vết nứt.
14
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
Kết quả: Hệ số cƣờng độ ứng suất tới hạn của một tấm graphene đƣợc tìm thấy là
K =2.63 ~ 3.2 MP đối với trƣờng hợp vết nứt zigzag.
√
IC
- Đề tài : “ Fracture toughes of foams with Fracture toughness of foams with
tetrakaidecahedral unit cells using finite element based micromechanics” Prasanna
Thiyagasundaram, JunqiangWang, Bhavani V.Sankar, Nagaraj K.Arakere đƣợc công
bố năm 2011, tại University of Forida, Gainesvile [5].
Độ bền gãy của open-cell bao gồm các tế bào đơn vị tetrakaidecah đƣợc dự đoán
bằng cách mô phỏng sự lan truyền vết nứt bằng mô hình vi cơ dựa trên phần tử
hữu hạn (FE). Đầu vào của mô hình là các tham số hình học cần thiết để mô hình
ô đơn vị lặp lại và độ bền kéo của the foam ligament hoặc thanh chống. Các vết
nứt đƣợc tạo ra bằng cách loại bỏ một số ô nhất định liên quan đến chiều dài vết
nứt. Mô hình FE bao gồm một vùng quy mô vi mô cục bộ xung quanh đỉnh vết
nứt. Đối với một yếu tố cƣờng độ ứng suất giả định, các chuyển vị dọc theo ranh
giới của mô hình cục bộ đƣợc tính toán dựa trên cơ học đứt gãy đàn hồi tuyến tính
đối với vật liệu chỉnh hình. Các ứng suất trong the ligaments ahead trƣớc đầu vết
nứt đƣợc tính toán từ mô hình vi mô này kết hợp với độ bền kéo của vật liệu thanh
chống đƣợc sử dụng để dự đoán độ bền gãy. Một nghiên cứu tham số với các kích
thƣớc mô hình vi mô khác nhau và độ dài vết nứt khác nhau đƣợc thực hiện để
kiểm tra sự hội tụ của các giá trị độ bền đứt gãy Mode-I, Mode-II và chế độ khác.
Hiệu quả của việc áp dụng các phép quay nhƣ các điều kiện biên bổ sung cùng với
các điều kiện biên dịch chuyển đối với các giá trị độ bền gãy dự đoán cũng đƣợc
nghiên cứu.
Kết quả : Đối với foam có mật độ tƣơng đối 0,16% , the Mode-I fracture
toughness converges to 622Pa và the Mode-II fracture toughness converges to
√
about 522Pa .
√
- Đề tài : “Size-dependent elastic properties of a single-walled carbon nanotube via a
molecular mechanics model” ( Đặc tính đàn hồi phụ thuộc vào kích thƣớc của ống
nano carbon đơn vách thông qua mô hình cơ học phân tử). Journal of the Mechanics
and Physics of Solids, volume 51,Issue 6, July 2003, pape 1059–1074 [6] .
15
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
Một mô hình phân tích dựa trên phƣơng pháp cơ học phân tử đƣợc trình bày để
liên kết các tính chất đàn hồi của ống nano carbon đơn vách với cấu trúc nguyên
tử của nó. Chúng tôi lấy các biểu thức dạng đóng cho mô đun đàn hồi và tỷ lệ
Poisson nhƣ là một hàm của đƣờng kính ống nano. Các tính chất ở các thang đo
chiều dài khác nhau đƣợc kết nối trực tiếp thông qua các biểu thức này. Các tính
chất đàn hồi đƣợc tính toán phân tích cho các ống nano achirin sử dụng hằng số
lực thu đƣợc từ dữ liệu thí nghiệm của than chì đƣợc so sánh với các tính toán dựa
trên tính toán số. Nghiên cứu này thể hiện nỗ lực sơ bộ để phát triển các phƣơng
pháp phân tích cơ học phân tử cho các ứng dụng trong mô hình cấu trúc nanô.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
- Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong vài thập kỷ gần đây
đã khám phá một loại thù hình mới của cacbon, đó là vật liệu cacbon cấu trúc nano.
Loại vật liệu này có cấu trúc tinh thể độc đáo, sở hữu nhiều tính chất vật lý, hóa học
và cơ học ƣu việt. Sự phát triển của khoa học công nghệ đã đem lại những diện mạo
mới cho cuộc sống con ngƣời và công nghệ điện tử viễn thông. Hiện nay trên thế giới
đang hình thành một khoa học và công nghệ mới, có nhiều triển vọng và dự đoán sẽ
tác động mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng nhƣ đời
sống kinh tế - xã hội của thế kỷ 21. Đó là khoa học và công nghệ nano. Hiện nay,
công nghệ điện tử truyền thông đang tiến đến những giới hạn cuối của cùng của kích
thƣớc thang vi mô, khoa học công nghệ nano ra đời mở ra hƣớng nghiên cứu mới cho
ngành điện tử với những linh kiện mới với kích thƣớc nano. Theo dõi sự phát triển
của khoa học công nghệ, vào cuối mỗi năm, tạp chí ScienceMAg (Mỹ) đều điểm lại
những sự kiện khoa học của thế giới trong năm và chọn ra 10 sự kiện nổi bật nhất,
đặc biệt là chọn ra một sự kiện lớn nhất đƣợc gọi là bƣớc đột phá của năm. Theo tạp
chí bƣớc đột phá khoa học của năm 2009 là việc các nhà khoa học quốc tế phát hiện
một bộ xƣơng có niên đại 4,4 triệu năm tại Ethiopia, các sự kiện còn lại thuộc các lĩnh
vực: Vật lý, khám phá vũ trụ, y học, liệu pháp gen và vật liệu graphene. Tâm điểm
của lĩnh vực công nghệ vật liệu trong thập kỷ 2000-2009 xoay quanh những nghiên
cứu về hai trạng thái mới của cacbon đó là, ống nano cacbon và graphene. Kể từ khi
đƣợc phát hiện và nghiên cứu vào đầu những năm 90 của thế kỷ trƣớc, các nhà khoa
16
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
học đã từng nhận định rằng, có vẻ nhƣ không có gì mà ống nano cacbon không thể
làm đƣợc, sự đóng góp của ống nano cacbon trong các ngành công nghiệp mũi nhọn
hiện nay là khá phong phú, từ điện tử, động cơ siêu nhỏ, tới bộ nhớ, pin và trong các
lĩnh vực vũ trụ. Nhƣng những nghiên cứu về graphene mới đƣợc công bố hồi đầu
năm 2009, khẳng định loại vật liệu mới này đã nhanh chóng thu hút đƣợc sự quan tâm
của các nhà khoa học, với độ cứng còn hơn cả kim cƣơng, và là loại vật liệu mỏng
nhất trong tất cả các loại vật liệu mà chúng ta từng tạo ra. Ngoài ra, tính dẫn điện của
graphene rất lý tƣởng. Do đó các nhà khoa học hy vọng rằng đến năm 2020 Graphene
có thể thay thế chất bán dẫn Silicon. Hiện nay, vật liệu graphene đã mở ra hy vọng
cho ngành điện tử.
- Nếu sản xuất có thể cải thiện, graphene sẽ cách mạng hóa ngành công nghệ năng
lƣợng. Hiện nay năng lƣợng mặt trời và gió, đang gặp khó khăn vì các phƣơng pháp
tích trữ năng lƣợng chƣa phù hợp. Nhiều nhà khảo cứu nghĩ rằng các siêu tụ điện
graphene có thể là giải pháp.
Chất bán dẫn Graphene là một lĩnh vực rất mới đối với khoa học nƣớc ta. Đó chính là lí
do tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu dạng phá hủy thứ III của vật liệu Graphene một lớp đơn sử
dụng phƣơng pháp cơ học phân tử ”. Nhằm mục đích tìm hiểu kĩ hơn về vật liệu Graphene,
các dạng phá hủy của vật liệu.
1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.3.1 Ý nghĩa khoa học
- Từ kết quả thực nghiệm, có thể xem xét về khả năng bền vững của vật liệu, để ứng
dụng vật liệu cho phát triển khoa học.
1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả của nghiên cứu giúp ứng dụng vật liệu vào đời sống của con ngƣời, nâng cao
chất lƣợng sản phẩm.
1.4 Mục đích nghiên cứu, khách thể nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cứu
1.4.1 Mục đích nghiên cứu
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì lần lƣợt nhiều loại vật liệu mới cũng
đƣợc khám phá và ứng dụng vào cuộc sống của con ngƣời. Công nghệ nano ra đời đã làm
17
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
cho cuộc sống của con ngƣời tiện nghi hơn với các linh kiện điện tử nhỏ bé. Việc áp dụng
những công nghệ hoàn toàn mới đã tạo điều kiện cho sản xuất phát triển theo chiều sâu,
giảm hẳn tiêu hao năng lƣợng và nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trƣờng, nâng cao chất
lƣợng sản phẩm và dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của sản xuất. Từ khi Graphene
đƣợc khám phá thì các nhà khoa học dự báo Graphene là vật liệu có thể thay thế nguồn Si
làm bán dẫn ngày đang can kiệt. Với vai trò quan trọng của chất bán dẫn Graphene tôi
nghiên cứu đề tài này với mục đích đặt ra nhƣ sau:
- Hiểu và nắm đƣợc cấu trúc, tính chất, ứng dụng của Graphene.
- Nắm đƣợc vai trò quan trọng của Graphene.
- Hiểu đƣợc về phƣơng pháp cơ học phân tử.
- Tìm hiểu về dạng phá hủy thứ III của vật liệu Graphene.
- Sự bền vững của các liên kết và quá trình đứt gãy của Graphene.
1.4.2 Khách thể nghiên cứu
- Vật liệu Graphene đơn lớp
1.4.3 Đối tƣợng nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu và nhiệm vụ nêu ra tôi xác định đối tƣợng nghiên cứu
là vật liệu Graphene đơn lớp bao gồm nhƣ sau:
- Cơ sở lý luận của chất bán dẫn Graphene
- Cấu trúc, tính chất, ƣu nhƣợc điểm của chất bán dẫn này.
- Sự khác biệt giữa lớp đơn Graphene và lớp kép Graphene.
- Phƣơng pháp chế tạo ra Graphene và một số ứng dụng của nó.
- Dạng phá hủy thứ III của vật liệu Graphene.
1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
1.5.1 Nhiệm vụ nghiên cứu
Để hoàn thành tốt đề tài này nhiệm vụ cụ thể đặt ra là :
- Tổng quan và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu cơ sở lý luận của chất bán dẫn Graphene.
- Nghiên cứu những tính chất vƣợt trội của Graphene và ứng dụng của nó.
- So sánh đƣợc sự khác biệt giữa hai loại lớp đơn và lớp kép Graphene.
18
GVHD: TS. NGUYỄN MINH KỲ
HVTH: NGÔ MẠNH TUẤN
- Nghiên cứu về phƣơng pháp cơ học phân tử.
- Tìm hiểu về khả năng liên kết của vật liệu SLGS.
Bon Stretching
Bond Angle
Bond Inversion
- Từ đó suy ra mối quan hệ giữa hệ số cƣờng độ ứng suất KIII với Bond Strain .
1.5.2 Giới hạn đề tài
- Đề tài nghiên cứu sơ lƣợc về chất bán dẫn và đi sâu vào cấu tạo, tính chất, phƣơng
pháp chế tạo Graphene, một số ứng dụng của chất bán dẫn vào cuộc sống, phƣơng
pháp cơ học phân tử, và dạng phá hủy thứ III của vật liệu Graphene.
1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Sử dụng phần mềm LAMMPS và VMD để mô phỏng quá trình.
- Thu thập tài liệu trên mạng và một số sách.
- Tổng hợp, xử lý số liệu, khái quát, phân tích tìm tài liệu thu đƣợc.
- Nghiên cứu lý thuyết, cơ sở lý luận.
- Dịch và nghiên cứu tài liệu tiếng Anh.
Hình 1.1: Graphen là một dàn tinh thể hình tổ ong của các nguyên tử carbon [7]
19
Tải về để xem bản đầy đủ
22 trang
09/01/2024
17860
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu dạng phá hủy thứ III của vật liệu graphene một lớp đơn sử dụng phương pháp cơ học phân tử", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_dang_pha_huy_thu_iii_cua_vat_lieu_graphe.pdf
