Mô hình hóa và mô phỏng ứng dụng xử cơ học của ống và tấm mỏng có kích cơ nano mét

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Danh Trường MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA ỐNG VÀ TẤM MỎNG CÓ KÍCH CỠ NANO MÉT Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật Mã số : 62520101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2015 Công trình hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Minh Quý Phản biện 1: ………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………… Phản biện 3: ………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Nghiên cứu vật liệu nano lĩnh vực nghiên cứu sôi động khoảng hai thập niên trở lại Điểm nhấn quan trọng vào năm 1991, Sumio Iijima trình bày công trình khoa học ông trình tổng hợp tạo ống cácbon nano đa lớp (MWCNTs) (Iijima 1991) Đến năm 1993, ông cộng công bố tiếp việc tổng hợp ống cácbon nano đơn lớp (SWCNT) Kể từ tới nay, hàng loạt nghiên cứu ống cácbon nano (CNT) thực cho thấy đặc tính ưu việt, hứa hẹn CNT có nhiều ứng dụng quan trọng nhiều lĩnh vực khác Như làm chất gia cường cho vật liệu composite, linh kiện điện tử, pin Lithium ion, siêu tụ điện, cảm ứng ánh sáng, nhiệt, sóng điện từ nhận biết hóa chất độc hại với độ nhạy cao Những ứng dụng thú vị vừa nêu dừng quy mô phòng thí nghiệm, để sản xuất đại trà đòi hỏi nhiều nghiên cứu Ngoài CNT, nay, nhà khoa học phát có thêm nhiều loại vật liệu nano dạng ống có cấu trúc dạng lục giác tương tự, như: graphene, boron nitride (BN), silicon carbide (SiC), silicene (Si), Sau phát hiện, việc tìm hiểu, dự đoán ứng xử học vật liệu cần thiết trước sản xuất, ứng dụng chúng Do đó, nghiên cứu sinh chọn đề tài cho luận án tiến sĩ là: “Mô hình hóa mô ứng xử học ống mỏng có kích cỡ nano mét” Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu: Mô hình hóa mô số tìm ứng xử học mô đun đàn hồi, mô đun đàn hồi trượt, hệ số Poisson, đường cong ứng suất biến dạng, ống vật liệu nano đơn lớp có cấu trúc dạng lưới lục giác thông qua mô thí nghiệm kéo, trượt uốn Một số vật liệu nano chọn để mô là: graphene, BN, SiC, BSb, Si Bên cạnh mô hình lý tưởng, luận án xét tới khuyết tật hai nguyên tử liền kề khuyết tật Stone-Wales xảy riêng lẻ trung tâm ống Phương pháp nghiên cứu: Cho tới nay, việc tiến hành thực nghiệm vật liệu nano khó khăn phức tạp Do phương pháp mô số máy tính ngày coi trọng Mô hình hóa mô số loại vật liệu nano thường dùng phương pháp học lượng tử cho kết xác cao lý thuyết hàm mật độ (DFT) hay mô cấp độ nguyên tử phương pháp động lực phân tử (MD) Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử (AFEM) đề xuất khoảng chục năm trở lại cho thấy nhiều ưu điểm đáng ý Trong luận án này, nghiên cứu sinh thầy hướng dẫn phát triển phương pháp AFEM để mô ứng xử học vật liệu nano Kết thu kiểm chứng cách so sánh với phương pháp MD, DFT nhiều phương pháp tin cậy khác Quá trình xây dựng mô mô số tính toán kết nghiên cứu sinh lập trình phần mềm Matlab Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Ở kích thước cỡ nano mét, việc tiến hành thực nghiệm vật liệu nano nêu khó khăn Thậm chí có vật liệu phát tồn lý thuyết, chưa chế tạo thực tế việc thực nghiệm Do việc sử dụng phương pháp mô hình hóa mô giúp ta chuẩn đoán xác nhanh chóng đặc tính vật liệu nano trước triển khai sản xuất chúng Nó giúp tiết kiệm chi phí cho trình thiết kế, sản xuất thử sản xuất hàng loạt vật liệu Bố cục luận án: Luận án bao gồm phần mở đầu, chương, kết luận hướng phát triển luận án, tài liệu tham khảo phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu nano cấu trúc dạng lục giác Năm 1991, Sumio Iijima phát ống cácbon nano đa lớp (MWCNTs) tiến hành khảo sát fullerene C60 (Iijima 1991) Đến năm 1993 Iijima cộng tiếp tục báo cáo việc tổng hợp ống cácbon nano đơn lớp (SWCNT) với đường kính 1nm Năm 2004, graphene, graphite đơn lớp bóc tách hai nhà khoa học Kostya Novoselov Andre Geim Đến 2010 họ trao giải Nobel Vật lý cho đóng góp họ việc tạo tiến hành thực nghiệm graphene Ngoài graphene CNT, có thêm nhiều vật liệu nano có cấu trúc dạng lục giác tương tự dự đoán tồn lý thuyết Trong có ống BN tổng hợp thực tế Mới đây, năm 2012 SiC với độ dày 0,5–1,5 nm tạo quy mô phòng thí nghiệm Bên cạnh Si dự đoán tồn lý thuyết dạng cấu trúc low-buckled (các nguyên tử Si nằm hai mặt phẳng song song với nhau) Si dạng dạng dải hẹp tổng hợp bạc vào năm 2010 năm 2012, Zirconium diboride (ZrB2) năm 2012, Iridium (Ir) năm 2013 Sau phát hiện, vật liệu cần tìm hiểu, dự đoán đặc trưng cơ, lý, hóa để phục vụ cho sản xuất ứng dụng chúng 1.2 Một số phương pháp mô vật liệu nano Những phương pháp thường dùng để mô phỏng, tính toán đặc trưng vật liệu nano phân chia làm hai nhóm: nhóm tính toán cấp độ electron nhóm tính toán cấp độ nguyên tử Trong đó, cấp độ electron có phương pháp lý thuyết hàm mật độ (DFT), cấp độ nguyên tử có phương pháp mô động lực phân tử (MD) hai phương pháp chuẩn mực sử dụng nhiều nghiên cứu lý thuyết hoá học, vật lý khoa học vật liệu Nhiều nghiên cứu, phương pháp đời sau thường lấy DFT MD làm chuẩn so sánh Và luận án này, tác giả phát triển phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử (AFEM) để sử dụng nghiên cứu Kết thu từ AFEM so sánh chủ yếu với kết từ DFT, MD để đánh giá độ tin cậy phương pháp mô hình AFEM phát triển để phân tích vật liệu cấu trúc nano cách hiệu (Liu cs 2004, Nasdala cs 2005, Wang cs 2006, Wackerfuß 2009, Nasdala cs 2010) Trong AFEM, nguyên tử coi nút chuyển vị xem chuyển vị nút Mỗi phần tử AFEM xây dựng để mô tả cho hàm Ma trận độ cứng phần tử thiết lập dựa hàm chúng Cũng giống FEM, ma trận độ cứng tổng thể AFEM ghép nối từ ma trận độ cứng phần tử Mỗi liên hệ chuyển vị nút (chuyển vị nguyên tử) ngoại lực tác dụng mô tả hệ phương trình Về bản, AFEM kết hợp phương pháp mô cấp độ nguyên tử phương pháp phần tử hữu hạn AFEM cho ta kết xác phương pháp mô thang nguyên tử MD đồng thời lại cho tốc độ hội tụ nhanh AFEM sử dụng đạo hàm bậc đạo hàm bậc hai hàm tính toán cực tiểu hóa lượng tìm vị trí cân hệ, MD sử dụng đạo hàm bậc Tác giả người hướng dẫn nhận định phương pháp mới, nhiều điều phát triển để áp dụng mô cho vật liệu nano tìm Do đó, AFEM tác giả sử dụng để mô hình hóa mô vật liệu nano luận án CHƯƠNG CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ VÀ THẾ NĂNG TƯƠNG TÁC 2.1 Cấu trúc hình học ống vật liệu nano dạng lục giác Tấm graphene vật liệu nano có cấu trúc dạng lục giác khác chứa nguyên tử nằm đỉnh hình lục giác xếp khít với tạo nên dạng lưới hình tổ ong (hình 2.1) Có hai dạng tấm phẳng (các nguyên tử nằm mặt phẳng, hình 2.1a) low-buckled (các nguyên tử nằm hai mặt phẳng song song với nhau, hình 2.1b) Như kích thước hình học vật liệu nano dạng lục giác xác định hai thông số độc lập chiều dài liên kết ban đầu lo khoảng  Low-buckled Từ   rút thông số góc liên kết θ độ dài véc tơ đơn vị a1 , a2 sau:   a  a1  a2  lo2   2Low-buckled    3 2Low-buckled  lo2   2lo2   Hình chiếu (2.1) (2.2)   arccos  a1 a2 Tấm phẳng có Low-buckled  , nên theo công  tơ Ch sau:     C h  OA  na1  ma2 lo 120o (a) a1 a2 y, Armchair thức (2.2), góc liên kết θ 120o Còn góc liên kết low-buckled nhỏ 120o Năm 1995, Dresselhaus cộng đưa hệ thống tham số biểu diễn hình học để mô tả cấu trúc graphene trước cuộn thành ống SWCNT sau dùng cho vật liệu nano cấu trúc lưới lục giác khác (hình 2.2) Khi đó, ống nano xem tạo thành cách cuộn vật liệu nano theo phương véc Hình chiếu cạnh lo θo (2.3) Trong cặp số  n, m số bước (b) x, Zigzag ∆Low-buckled Hình 2.1 Hình chiếu hình chiếu cạnh  vật liệu nano cấu trúc lục giác: a)   a1 , a2 véc tơ đơn vị Véctơ C h xác phẳng với góc liên kết θ=120o; b)  định độ xoắn ống Khi Ch trùng với low-buckled với góc liên kết θ