PHÂN TÍCH DẠNG PHÁ HUỶ HỖN HỢP (MIXED MODE) CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Trong hầu hết các tình huống thực tế, các thiết bị nano trên nền graphene phải chịu tải phức tạp, tức là sự kết hợp của tải trọng căng và trượt. Với tình huống này, sự phá huỷ hỗn hợp là không thể tránh khỏi trong quá trình xé rách tấm graphene. Dạng phá hủy thứ nhất và thứ hai của tấm graphene đơn lớp với vết nứt ở giữa tấm là mô hình điển hình với những kết quả đã được nghiên cứu bởi mô hình phân tích cơ học và phần tử hữu hạn. Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phân tích vi mô được sử dụng để hiểu rõ ràng về hành vi phá hủy của tấm graphene đơn lớp. Bằng phương pháp phân tích lý thuyết cũng như phương pháp phần tử hữu hạn, người ta đã tìm ra hệ số cường độ tới hạn của dạng phá hủy thứ nhất KIC và dạng hai KIIC. Dạng phá hủy hỗn hợp của dạng I và II theo hướng armchair đã được nghiên cứu với các góc pha khác nhau. Mô hình thực hiện dạng phá hủy hỗn hợp này được thiết lập với hướng tải và điều kiện biên dựa vào mô hình của Arcan. Giá trị hệ số cường độ ứng suất ở từng góc pha đã được xác định và được so sánh đánh giá với các kết quả nghiên cứu trước.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÂN TÍCH DẠNG PHÁ HUỶ HỖN HỢP (MIXED MODE) CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÂN TÍCH DẠNG PHÁ HUỶ HỖN HỢP (MIXED MODE) CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2018 TĨM TẮT Graphene, hợp chất carbon hai chiều công nhận rộng rãi nhiều sự chú ý, đa dạng siêu vật liệu phát trái đất Đầu tiên, điều có nghĩa graphene sử dụng để giúp cải thiện hiệu hiệu vật liệu chất liệu tại, tương lai phát triển kết hợp với tinh thể 2D khác để tạo số hợp chất tuyệt vời cho phù hợp với phạm vi rộng ứng dụng Một đặc tính bật khác graphene độ bền kéo nó, graphene vật liệu mạnh khám phá, với độ bền kéo cực đại 130 GPa, mô đun Young 1TPa Trong hầu hết tình thực tế, thiết bị nano graphene phải chịu tải phức tạp, tức sự kết hợp tải trọng căng trượt Với tình này, sự phá huỷ hỗn hợp khơng thể tránh khỏi q trình xé rách graphene Dạng phá hủy thứ thứ hai graphene đơn lớp với vết nứt mơ hình điển hình với kết nghiên cứu mơ hình phân tích học phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn dựa phân tích vi mơ sử dụng để hiểu rõ ràng hành vi phá hủy graphene đơn lớp Bằng phương pháp phân tích lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn, người ta tìm hệ số cường độ tới hạn dạng phá hủy thứ K IC dạng hai KIIC Dạng phá hủy hỗn hợp dạng I II theo hướng armchair nghiên cứu với góc pha khác Mơ hình thực dạng phá hủy hỗn hợp thiết lập với hướng tải điều kiện biên dựa vào mơ hình Arcan Giá trị hệ số cường độ ứng suất góc pha xác định so sánh đánh giá với kết nghiên cứu trước ASBTRACT Graphene, the well-publicized and noticed two-dimensional carbon allotrope, is as versatile a material as any discovered on earth Initially this will mean that graphene is used to help improve the performance and efficiency of current materials and substances, but in the future it will also be developed in conjunction with other two-dimensional (2D) crystals to create some even more amazing compounds to suit an even wider range of applications Another of graphene’s stand-out properties is its ultimate tensile strength, graphene is the strongest material ever discovered, with an ultimate tensile strength of 130 GPa, Young’s modulus over 1TPa In almost all practical situations, graphene based nanodevices are subjected to complex loading, combination of opening and shear mechanical loading Given this situation, mixed-mode fracture is inevitable during tearing of graphene The mode I and mode II fracture behavior of a single-layer graphene sheet (SLGS) containing a center crack was characterized with the results of an finite element method (FEM) and an analytical model Finite element method based micromechanical analysis is used to understand the fracture behavior of functionally SLGS The in-plane shear fracture of a cellular material was analyzed theoretically for deriving the K IC, KIIC of SLGS, and FEM results were obtained Mixed-mode fracture of armchair direction graphene sheet was studied for various angle mode I/II ratios The effect of mixedmode loading on the Arcan specimen was investigated, all the systems considered in this study mimic real service conditions Mixed mode (Mode I/II) fracture toughness of a graphene sheet is predicted by simulating the crack propagation using a finite element model The mixed mode fracture criteria are determined and fracture surfaces obtained at different loading angles for pristine graphene are discussed The obtained fracture envelope was in good agreement with that of another study MỤC LỤC Trang tựa TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ψ Góc pha - phase angle σ Ứng suất - stress ν Hệ số Poisson - Poisson’s ratio σf Ứng suất phá huỷ - fracture strength of the cell wall σfs Ứng suất phá huỷ lớn – fracture strength crack tip τfs Ứng suất trượt - shear modulus of rupture Å Angstrom c Chiều dài vết nứt - the crack length d Đường kính bond - diameter of bond E Mô đun đàn hồi - elastic modulus (Young’s modulus) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn – Finite element methods DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1 Cho ta kết hệ số cường độ ứng suất tổng 14 Bảng 3-1 Kết ứng suất góc Ψ 54 Bảng 3-2 Kết hệ số cường độ ứng suất góc Ψ 56 DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 a) Mơ hình 1; b) Mơ hình Hình 1.2 Kết biến dạng ban đầu sau vết nứt phát triển sau step Hình 1.3 So sánh kết vết nứt thuyết σθθmax, Gmax, Smin Hình 1.4 Kết biến dạng ban đầu sau vết nứt phát triển sau 11 step Hình 1.5 So sánh kết vết nứt thuyết σθθmax, Gmax, Smin Hình 1.6 Đồ thị so sánh giá trị Me phương pháp σθθmax, Gmax, Smin sau 11step Hình 1.7 Mẫu thí nghiệm đánh giá dẻo dai lớp bọt Carbon Hình 1.8 Mơ hình thực tế thí nghiệm Hình 1.9 a) Mơ hình rắn Unit-cell (Unit-cell of solid model); b) Mơ hình dầm Unitcell (Unit-cell of beam model) Hình 1.10 Kết chạy mô theo phương pháp phần tử hữu hạn Hình 1.11 Sự kết hợp mơ hình liên tục CM mơ hình lượng tử QM Hình 1.12 Mơ hình Hình 1.13 Mơ hình Hình 1.14 Đồ thị biểu diễn hệ số cường độ ứng suất với góc Φ thay đổi theo hướng AC ZZ tỉ lệ a/b 0.11 10 HÌnh 1.15 Sự bắt đầu sự lan truyền vết nứt cho góc độ khác cho vết nứt với hướng AC ZZ (Mơ hình 1) 11 Hình 1.16 Sự bắt đầu sự lan truyền vết nứt cho góc độ khác cho vết nứt với hướng AC ZZ (Mơ hình 2) 11 Hình 1.17 Các giá trị hệ số cường độ ứng suất tác dụng theo hướng AC ZZ 12 Hình 1.18 Mơ hình (MD) Graphene với chiều dài ban đầu theo hai hướng (a) zigzag (b) armchair; r = 60 Å 12 Hình 1.19 Đồ thị biểu diễn hệ số cường độ ứng suất với góc φ thay đổi theo hướng AC ZZ 13 Hình 2.1 a) Than chì; b) Cấu trúc Graphit 17 Hình 2.2 Graphene khơng tồn mặt phẳng tuyệt đối (a), hữu với mặt lồi lõm không gian chiều (b) 18 Hình 2.3 Hình ảnh màng Graphene qua kính hiển vi điện tử 18 Hình 2.4 Sơ đồ chế dẫn điện Graphene pin mặt trời 21 Hình 2.5 Ðồ thị chuyển vị - ứng suất (Hooke-law) 24 Hình 2.6 Một phẳng sự tác dụng ứng suất σ, chiều dài vết nứt 2a, bề rộng B 26 Hình 2.7 Các ứng suất đầu vết nứt vật liệu đàn hồi Hình 2.8 Các dạng phá huỷ 27 28 Hình 2.9 Tấm Graphene với chiều dài vết nứt theo hướng Armchair 30 Hình 2.10 Lực tác dụng cell 30 Hình 2.11 Lực tác dụng theo hướng Armchair đầu vết nứt 31 Hình 2.12 Tấm Graphene với chiều dài vết nứt c 33 Hình 2.13 (a) Ứng suất tác dụng theo hướng ZigZag (ZZ); (b) Lực ứng suất đầu vết nứt 34 Hình 2.14 Mơ hình mixed mode với vết nứt nghiêng góc β 36 Hình 2.15 Đường cong biểu diễn tiêu chuẩn phá huỷ theo đường tròn elip 37 10 Hình 3.14 Giá trị ứng suất uốn bond đầu vết nứt ứng với góc pha 450 62 Hình 3.15 Giá trị ứng suất dọc trục bond đầu vết nứt ứng với góc pha 60 63 Hình 3.16 Giá trị ứng suất uốn bond đầu vết nứt ứng với góc pha 600 64 Hình 3.17 Giá trị ứng suất dọc trục bond đầu vết nứt ứng với góc pha 75 65 Hình 3.18 Giá trị ứng suất uốn bond đầu vết nứt ứng với góc pha 750 66 Bảng 3-1 Kết ứng suất góc Ψ Ứng suất dọc trục Ứng suất uốn (MPa) (MPa) 15o 15.131 8.378 23.509 30o 13.611 7.537 21.148 45o 11.158 6.178 17.336 60o 10.888 6.029 16.917 75o 13.886 7.689 21.575 Góc Ψ Tổng Phần tử sau chia lưới 273075 phần tử hình 3.19 Hình 3.19 Số phần tử sau chia lưới Ứng suất lớn đầu vết nứt xác định theo cơng thức: [8] Trong ứng suất uốn ứng suất kéo dọc trục xác định trực tiếp từ phần mềm ANSYS Góc pha ψ = đến 450 ứng với mode I, ψ= 450 đến 900 ứng với mode II [6,22] Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode I mode II xác định theo [8,1]: 67 (3-4) (3-7) Trong đó, giá trị ứng suất kéo trượt lớn liên kết bị phá huỷ Hình 3.20 Mơ hình mixed mode Góc pha Ψ (thơng số dạng hỗn hợp góc vết nứt tương đương) định nghĩa là: [4] Và cường độ ứng suất tới hạn Keff , độ dài vết nứt ban đầu đánh giá là: Hoặc Giá trị cường độ ứng suất tới hạn mode I (KIC) thu từ [8] với mô FEM với c = 25cells Ψ = 90o KIC = 2,63 MPa cường độ ứng suất tới hạn mode II (KIIC) thu từ [1] mô FEM Ψ = 0o KIIC = 1.68MPa Như với ψ = 150, 300, 450 hệ số cường độ ứng suất tính theo phương trình (3-4), với ψ = 600, 750 hệ số cường độ ứng suất tính theo phương trình (3-7) 68 Bảng 3-2 Kết hệ số cường độ ứng suất góc Ψ Góc Ψ Hệ số cường độ ứng suất 0o 2.63 [8] 15o 2.56 30o 2.3 45o 1.89 60o 1.22 75o 1.19 90o 1.68 [1] Các giá trị cường độ ứng suất quan trọng lấy từ ứng suất lớn đầu vết nứt KI KII tính sử dụng mô FEM K I tăng KII giảm sự phân bố tải trọng mode I, Ψ tăng từ 0o đến 90o Nó thấy góc tải Ψ ≥ 45o, sự đóng góp mode-I lớn mode-II sự phá huỷ dạng mode I trở nên trội Đối với góc tải Ψ ≤ 45o có xu hướng ngược lại sự phá huỷ mode II trở nên chiếm ưu CHƯƠNG PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 KẾT QUẢ Chúng nghiên cứu hành vi phá huỷ graphene dựa khái niệm học vết nứt học chất rắn [6,19] Việc phân tích hành vi phá huỷ 69 cho góc tải khác cho thấy chiều dài vết nứt phải sử dụng đánh giá độ dẻo dai (Keff) Để xác minh tính xác phương pháp mơ hình cơng thức phát triển nghiên cứu này, mơ hình phần tử hữu hạn graphene xây dựng phần mềm ANSYS Mô cho ta kết tin cậy (Hình 3.6 - 3.15) Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn tìm kiếm mơ hình tính tốn hiệu để dự đoán độ dẻo dai graphene Trong dạng phá huỷ graphene biết lượng phá huỷ dạng tải mode I khác dạng tải mode Đối với trường hợp phá huỷ hỗn hợp, có sự tương tác hai dạng phá huỷ cần thiết phải tìm mối quan hệ cường độ ứng suất mode I mode II Về mặt lý thuyết, đường cong phá hủy mixed mode vật liệu có ba dạng bản: đường tròn, đường elip đường thẳng trình bày hình 4.1 [6,22] Hình 4.1 Các dạng đường cong phá hủy vật liệu Nó thường đề xuất hình thức như: [4] Độ dẻo dai graphene xác định từ FEM với phiên sửa đổi mẫu Arcan cho góc pha khác điều kiện tải khác Một tiêu 70 chí phá huỷ phát triển cách vẽ liệu độ dẻo dai trung bình đồ thị (Hình 4.2) Có thể thấy phương trình elliptical (tức m = 2, n = KIC ≠ KIIC phù hợp để mơ tả tiêu chí phá huỷ dạng hỗn hợp Bin Zhang [4] Datta [9] Hình 4.2 Dự đoán đường cong mixed mode danh nghĩa ứng với chiều dài vết nứt 25 cell Hình 4.2 cho ta kết phương pháp phần tử hữu hạn với mơ MD tính tốn Bin Zhang [4], Datta [9] Ngồi ra, trình bày chương sở lý thuyết, đường cong phá huỷ còn biểu diễn dạng phương trình (3-11) Các kết FEM thể hình 4.3 với K II / KIC so với KI / KIC thể hình dự đốn mơ MD tiêu chuẩn phá huỷ Bin Zhang [4], Datta [9] Hình 4.3 Dự đốn đường cong mixed mode tới hạn vật liệu graphene Các đường cong hình 4.3 đường cong phá huỷ dạng hỗn hợp (I / II) mẫu Arcan cho góc pha khác Để sử dụng đường cong trường hợp lý thuyết, cần phải tính góc pha cho yếu tố cường độ ứng suất cho thành phần tải áp dụng Các yếu tố sau tính KII/KIC KI/KIC điểm tương ứng xác định Hình 4.3 Một phương pháp phần tử dựa nguyên tố sử dụng để tính độ dẻo dai graphene Tăng KI cho sự gia tăng ứng suất kéo đầu vết nứt với góc tải từ 0o đến 450 kết tương tự trước Ngược lại, giá trị K II giảm với góc tải từ giá trị đỉnh ψ > 45 ° đến ψ = 90 ° 4.2 THẢO LUẬN Từ hình 4.2 4.3 chúng ta thấy rằng: thay đổi góc pha giá trị hệ số cường độ ứng suất tới hạn thay đổi Đối với kết trình bày hình 4.2, chúng ta thấy góc pha ψ = đến 150 có vẻ đường cong, còn ψ = đến 71 750 đường phân bố Đặt biệt hình 4.3, biểu diễn vùng an toàn nguy hiểm vật liệu Ứng với mode I, chúng ta thấy kết FEM tương tự MD, mode II, ta thấy mơ hình FEM rời rạc MD có sự khác biệt lớn Cũng điều kiện biên mode II mơ hình FEM rời rạc khơng phù hợp CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Luận văn hoàn tất đạt yêu cầu đề ra, bao gồm: 72 - Một mơ hình FEM cho dạng hỗn hợp (mode I / mode II) graphene thực - Xác định hệ số cường độ tới hạn mixed mode trường hợp góc pha Ψ: 00; 150; 300; 450; 600; 750; 900 Bảng 3.2 - Xác định đường cong danh nghĩa (mixed mode) vật liệu graphene - Đưa vùng nguy hiểm, vùng an tồn cho vật liệu (Hình 4.3) - So sánh kết độ dẻo dai (giá trị trung bình) phương pháp FEM với kết MD, ta nhận thấy sự khác biệt khoảng 15% với Bin Zhang 9% với Datta 5.2 KẾT NGHỊ - Tất kết hầu hết từ mơ tính tốn, khơng có thực nghiệm kiểm chứng, thiếu sót Vì vậy, thực nghiệm vấn đề cấp bách cần thiết nghiên cứu dạng phá hủy vật liệu graphene Phát triển vật liệu composite graphene vấn đề nóng nhiều nhà nghiên cứu tiến hành - Phương pháp MD simualtion đồng thời phương pháp mới, tích hợp tính tốn kết hợp với ảnh hưởng nhiệt độ đến biến dạng vật liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Minh-Ky, Nguyen Micromechanics Study for Fracture Behavior of Single Layer Graphene Sheet Ulsan of University, Thesis PhD, 2013 [2] Banks-Sills L, Arcan M, Bortman Y A mixed mode fracture specimen for mode II dominant deformation Engng Fract Mech, 1984, 20(1), pp 145–157 [3] J.S HUANG, J.Y LIN, Mixed-mode fracture of brittle cellular materials [4] Bin Zhang, Lanjv Mei, and Haifeng Xiao Nanofracture in graphene under complex mechanical stresses Applied Physics Letters, 2012, 101, 121915 73 [5] Minh-Quy Le, Romesh C.Batra Mode – I stress intensity factor in single layer grapheme sheets 2016 [6] T L Aderson, Fracture Mechanics: Fundamentals and Application, CRC Press (1995) [7] F Scarpa, S Adhikari and A Srikantha Phani, Effective elastic mechanical properties of single layer graphene sheets [8] Minh-Ky, Nguyen Young-Jin Yum Analysis of Mode I Fracture Toughness of Single Layer Graphene Sheet, Journal of Mechanical Science and Technology Volume 28, Issue 9, pp 3645-3652 [9] Dibakar Datta, Siva P.V Nadimpalli, Yinfeng Li, Vivek B Shenoy Effect of crack length and orientation on the mixed-mode fracture behavior of graphene Extreme Mechanics Letters 2015 [10] Trương Tích Thiện, Trần Kim Bằng Mô sự lan truyền vết nứt không gian hai chiều Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM, 2010 [11] Vương Văn Thanh, Đỗ Văn Trường Mô trình phát triển vết nứt điều kiện tải trọng mixed mode phương pháp XFEM, Hội nghị khoa học tồn quốc khí, 2011 [12] Prasanna Thiyagasundaram, Junqiang Wang, Bhavani V Sankar, Nagaraj K Arakere Fracture toughness of foams with tetrakaidecahedral unit cells using finite element based micromechanics Engineering Fracture Mechanics 78, pp 1277–1288, 2011 [13] S Choi and B V Sankar Fracture Toughness of Carbon Foam Journal of Composite Materials 37, 2101, 2003 [14] Mei Xu, Alireza Tabarraei, Jeffrey T Paci, Jay Oswald and Ted Belytschko A coupled quantum/continuum mechanics study of graphene fracture Int J Fract, 2012, 173, pp 163–173 74 [15] Shi Weichen, Mu Guochao, Li Huanhuan Relationship between the stress intensity factors and bond σ in grapheme sheet Shanghai Maritime University 2008 [16] Brian Shevitski Structural Properties of Graphene and Carbon Nanotubes Department of Physics and Astronomy, University of California Los Angeles, Los Angeles, CA 90095 2010 [17] Nguyen Minh Ky Fracture analysis of single layer graphene sheets Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 36A, 3-2016 [18] Elizabeth J Duplock, Matthias Scheffler, and Philip J D Lindan Hallmark of Perfect Graphene University of Kent, Canterbury CT2 7NR, United Kingdom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Faradayweg 4-6, D-14 195 Berlin-Dahlem, Germany 2004 [19] J S Huang, L J Gibson Fracture toughness of brittle honeycombs Department of Civil Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, U.S.A 1990 [20] Trương Văn Tân Graphene: Thế giới phẳng Carbon Diễn đàn Forum [21] EmanoilLinul and LiviuMarsavina Prediction of Fracture Toughness for Open Cell Polyurethane Foams By Finite-element Micromechanical Analysis Iranian Polymer Journal, 20 (9), 2011, pp 735-746 [22] T L Aderson, Fracture Mechanics: chapter Mixed-mode fracture mechanics, CRC Press (1995) [23] T Zhu, J Li, S Ogata and S Yip Mechanics of ultra-strength materials Materials Research Society Bulletin 34, pp 167-172, 2009 [24] Duplock E J, Scheffler M and Lindan P J D Hallmark of Perfect Graphene Physical Review Letters 92(22), pp.225502-225505, 2004 75 [25] Zhou X, Zhou J and Ou-Yang Z Strain energy and Young’s modulus of single-wall carbon nanotubes calculated from electronic energy-band theory Physical Review B 62, pp 13692-13696 2000 76 ... (Mode I/II) fracture toughness of a graphene sheet is predicted by simulating the crack propagation using a finite element model The mixed mode fracture criteria are determined and fracture surfaces... element method based micromechanical analysis is used to understand the fracture behavior of functionally SLGS The in-plane shear fracture of a cellular material was analyzed theoretically for deriving... and shear mechanical loading Given this situation, mixed-mode fracture is inevitable during tearing of graphene The mode I and mode II fracture behavior of a single-layer graphene sheet (SLGS) containing