تأثیر عیب استون-والز بر استحکام گرافین موج‌دار با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران

چکیده

گرافین بدون عیب دارای خصوصیات مکانیکی فوق‌العاده‌ای است، ولی گرافین دارای عیوب ساختاری ازجمله عیب استون-والز است که باعث تغییر خواص فیزیکی آن می‌گردد. از طرفی، گرافین به‌طورکلی در اثر شرایط ترمودینامیکی به‌ صورت کاملاً صاف نیست و دارای موج‌هایی است و وجود ناهمواری در سطح گرافین باعث تغییر رفتار گرافین می شود. در این مقاله خصوصیات مکانیکی گرافین موج‌دار دارای عیب استون-والز تحت کشش تک ‌محوره مورد مطالعه قرار گرفته است. سطح ناهموار گرافین موج‌دار بوسیله تابع تصادفی با استفاده از نرم ‌افزار MATLAB مدل شده است و گرافین بدون موج و گرافین موج‌دار دارای عیب استون-والز با یکدیگر مقایسه شده‌اند. از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی برای بررسی تأثیر عیب استون- والز بروی استحکام نهایی گرافین استفاده شده و برای مدل کردن پیوندهای کووالانسی بین اتم‌های کربن از تابع پتانسیل AIREBO استفاده شده است. همچنین کنترل دمای سیستم توسط ترموستات نوز-هوور انجام گرفته است. نتایج نشان می‌دهند که عیب استون-والز استحکام نهایی گرافین آرمچیر را به ‌شدت کاهش می‌دهد، اما تأثیر کمتری بر استحکام نهایی گرافین در جهت زیگزاگ دارد. همچنین موجدار کردن گرافین عیب­دار باعث افزایش استحکام کششی در جهت زیگزاگ و کاهش آن در جهت آرمچیر خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]     Mermin N.D., Crystalline Order in Two Dimensions, Vol. 176, No. 1, pp. 250–254, 1968.
[2]     Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V,
and Jiang D., Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science Magazine, Vol. 306, No. 5696, pp. 666–669, 2004.
[3]     Novoselov K. S., Jiang D., Schedin F., Booth T. J., Khotkevich V. V., Morozov S. V., and Geim A. K., Two dimensional atomic crystals, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 102, No. 30, pp. 10451-10453, 2005.
[4]     Ovid’ko I., Mechanical Properties of Graphene, Review on advanced materials science, Vol. 34, pp. 1–11, 2013.
[5]     Stankovich S., Dikin D. A., Dommett G. H. B.,
Kohlhaas K. M., Zimney E. J., Stach E. A., Piner R. D.,
Nguyen S. T., and Ruoff R. S., Graphene-based composite
materials, Nature, Vol. 442, No. 7100, pp. 282-286, 2006.
[6]     Mortazavi B., Thermal conductivity and tensile response of defective graphene : A molecular dynamics study, Vol. 3, 2013.
[7]     Dong X., Shi Y., Huang W., Chen P, and Li L. J., Electrical detection of DNA hybridization with single-base specificity using transistors based on CVD-grown graphene sheets, Adv. Mater., vol. 22, no. 14, pp. 1649–1653, 2010.
[8]     Lee C., Wei X., Kysar J. W., and Hone J., Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene, Science, Vol. 321, No. 5887, pp. 385-388, 2008.
[9]     Tsai J. L., and Tu J. F., Characterizing mechanical
properties of graphite using molecular dynamics
simulation, Material and design, Vol. 31, No. 1, pp. 194-198, 2010.
[10]  Ansari R., Motevalli B., Montazeri A., and Ajori S.,
Fracture analysis of monolayer graphene sheets with
double vacancy defects via MD simulation, Solid State
Communication
, Vol. 151, No. 17, pp. 1141-1146, 2011.
[11]  Alder B.J., and Wainwright T.E., Phase Transition for a Hard Sphere System, Journal of chemical physics, Vol. 27, pp. 1208, 1957.
[12]  Ajori S., Ansari R., and Mirnezhad M., Mechanical properties of defective graphyne using molecular dynamics simulations, Material science engineering: A, Vol. 561, pp. 34–39, 2013.
[13]  Wang M. C., Yan C., Ma L., Hu N., and Chen M. W.,
Effect of defects on fracture strength of graphene sheets,
Computational material science, Vol. 54, pp. 236-239, 2012.
[14]  Xiang Y., and Shen H., Shear buckling of rippled
graphene by molecular dynamics simulation, Material
Today Communication,
Vol. 3, pp.149-155, 2015.
[15]  Khare R., Mielke S.L., Paci J.T., Zhang S., Ballarini R., and Schatz G.C., Coupled quantum mechanical/molecular mechanical modeling of the fracture of defective carbon nanotubes and graphene sheets, Physical review B, Vol. 75, No. 7. pp. 075412, 2007.
[16]  Ansari R., Ajori S., and Motevalli B., Mechanical properties of defective single-layered graphene sheets via molecular dynamics simulation, Superlattices Microstruct., Vol. 51, no. 2, pp. 274–289, 2012.
[17]  Wang M., Yan C., and Hu N., “ Deformation and Failure of graphene sheet and graphene-polymer interface”, The International Conference on Fracture 13, 2013
[18]  Stone A., and Wales D., Theoretical studies of icosahedral C60 and some related structures, Chemical Physics Letters, Vol.128, pp. 501–503, 1986.
[19]  Stuart S., Tutein A., and Harrison J., A reactive
potential for hydrocarbons with intermolecular
interactions, Journal of chemical physics, Vol. 112, No. 14, pp. 6472-6486, 2000.
[20]  Hoover W., Canonical dynamics, Equilibrium phase space distributions, Physical review A, Vol. 31, No. 3, pp.1695-1697, 1985.