محاسبه چقرمگی شکست در گرافن با بکارگیری دینامیک مولکولی و معیار گریفیث

گرافن به عنوان یک ماده دو بعدی با ساختار شش وجهی که شامل اتم های کربن می باشد، در صنایع مختلفی از جمله الکترونیک، هوافضا و پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده دارای استحکام مکانیکی بالا بوده و نسبت به فولاد صد ها برابر مستحکم تر می باشد. هر چند این استحکام تحت تاثیر عوامل مختلفی مثل وجود نابجایی ها، ترک ها و دما ممکن است تغییر کند. شناسایی خواص مکانیکی گرافن در جهت استفاده از این ماده با قابلیت اطمینان بالا در تجهیزات مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است. در این میان چقرمگی شکست که توانایی مقاومت یک ساختار ترک دار را در برابر شکست بیان می کند، از پارامترهای مهم به شمار می رود. در این مقاله با بهره گیری از شبیهسازی دینامیک مولکولی تاثیر اندازه ترک و همچنین اثر کایرالیتی ساختار گرافن در جهت گیری های مختلف بر روی چقرمگی شکست مورد ارزیابی قرار گرفته و با معیار شکست ترد گریفیث مقایسه شده است. برای این منظور گرافن تک لایه به ابعاد 500×500 nm(2) با اندازه ترک های بین 3 تا 50 نانومتر کایرالیتی های بین صفر درجه (زیگزاگ) تا 30 درجه (آرمچیر)با پتانسیل Tersoff شبیه سازی شده و مقاومت شکست آنها بر اساس نمودارهای تنش بر حسب کرنش بدست می آید. نتایج نشان می دهد درترکهای با طول بیشتر از 10 نانومتر معیار گریفیث با معیار شبیه سازی مطابقت دارد و برای ترک های کوچکتر بیشتر از 20 درصد اختلاف دارد. در این میان گرافن زیگزاگ نسبت به گرافن آرمچیر از چقرمگی شکست بالاتری برخوردار می باشد. دلیل این امر بخاطر ساختار انیزوتروپیک گرافن در جهت های مختلف است بطوریکه که در جهت زیگزاگ بیشترین استحکام مکانیکی مشاهده می شود. در ضمن نتایج شبیه سازی نشان می دهد که جهت ترجیحی رشد و انتشار ترک، در راستای کایرالیتی زیگزاگ می باشد که این پدیده به پایه معیار شکست های محلی اتفاق افتاده در پیوندهای اتمی کربن- کربن نسبت به معیار انرژی گریفیث قابل توجیه می باشد. نتایج حاصل از این شبیه سازی در جهتفراهم آوردن اطلاعات پایه ای و اولیه برای استفاده از گرافن با قابلیت اطمینان بالا در قطعات الکترونیکی و نانو کامپوزیت ها می تواند به شمار رود.

Keywords:

گرافن , نانو ساختار , کایرالیتی , معیار گریفیث , چقرمگی شکست , شکست ترد , شبیهسازی دینامیک مولکولی