(Luận văn thạc sĩ) phân tích dạng phá hủy hỗn hợp (MIXED MODE) của vật liệu graphene bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ÐỨC TÀI PHÂN TÍCH DẠNG PHÁ HUỶ HỖN HỢP (MIXED MODE) CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE BẰNG PHUONG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KhÍ- 1580418 SKC005825 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC TÀI 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 - 1580418 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 NGUYỄN ĐỨC TÀI 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 - 1580418 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH KỲ Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2018 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Đức Tài Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 18/05/1991 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Ninh Bình Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 360/23/5, Lã Xuân Oai, Long Trường, Quận 9, Tp HCM Điện thoại quan: Điện thoại riêng: 0965828623 Fax: E-mail: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Hệ đào tạo: Đại học quy Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 4/2015 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Ngành học: Sư phạm Cơ khí chế tạo máy III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Từ 6/2015 1/2016 Từ 3/2016 – Đến i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng năm 2018 Nguyễn Đức Tài ii LỜI CẢM ƠN Qua q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn, học viên kính gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến:  Thầy TS Nguyễn Minh Kỳ - Thầy hướng dẫn thực luận văn tận tình dạy, tạo điều kiện động viên Học viên suốt trình thực  Quý thầy cô giáo tham gia công tác giảng dạy, hướng dẫn học trò thành viên lớp Cao học chun nghành Kỹ thuật Cơ khí khố 2015B tồn khố học  Q thầy giảng dạy Khoa khí, phịng Đào tạo – Bộ phận sau Đại học – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM giúp đỡ người thực thời gian học tập nghiên cứu trường  BGH nhà trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM tạo điều kiện thuận lợi cho học viên trường học tập nghiên cứu Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng năm 2018 Nguyễn Đức Tài iii TÓM TẮT Graphene, hợp chất carbon hai chiều công nhận rộng rãi nhiều 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, mơ đun Young 1TPa Trong hầu hết tình thực tế, thiết bị nano graphene phải chịu tải phức tạp, tức kết hợp tải trọng căng trượt Với tình này, phá huỷ hỗn hợp tránh khỏi 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 iv 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 twodimensional (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 mixed-mode 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 v MỤC LỤC Trang tựa TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT ASBTRACT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC HÌNH CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu 1.1.1 T 1.1.2 T 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 1.4.1 Ý 1.4.2 Ý 1.5 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.5.1 N 1.5.2 G 1.6 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở vật liệu Graphene vi Hình 3.16 Giá trị ứng suất uốn bond đầu vết nứt ứng với góc pha 60 51 Hình 3.17 Giá trị ứng suất dọc trục bond đầu vết nứt ứng với góc pha 75 52 Hình 3.18 Giá trị ứng suất uốn bond đầu vết nứt ứng với góc pha 75 53 Bảng 3-1 Kết ứng suất góc Góc 15 o o 30 45 o 60 o 75 o 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 đó  = +=+ ứng suất uốn ứng suất kéo and dọc trục xác định trực tiếp từ phần mềm ANSYS Góc pha = đến 45 0 ứng với mode I, và= 45 đến 90 ứng với mode II [6,22] 54 Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode I mode II xác định theo [8,1]: = = Trong đó, và giá trị ứng suất kéo trượt lớn liên kết bị phá huỷ Hình 3.20 Mơ hình mixed mode Góc pha (thơng số dạng hỗn hợp góc vết nứt tương đương) định nghĩa là: [4]  = −1() Và cường độ ứng suất tới hạn Keff , độ dài vết nứt ban đầu đánh giá là: =√( )2+( Hoặc )2 =( )2+( )2 Giá trị cườngo độ ứng suất tới hạn mode I (K IC) thu từ [8] với mô FEM với c = 25cells ở = 90 KIC = 2,63 MPa√ cường độ ứng suất tới hạn mode II (K IIC) thu từ [1] mô FEM tại = 0o KIIC = 55 0 1.68MPa√ Như với = 15 , 30 , 45 hệ số cường độ ứng suất tính theo phương 0 trình (3-4), với = 60 , 75 hệ số cường độ ứng suất tính theo phương trình (3-7) Bảng 3-2 Kết hệ số cường độ ứng suất góc Các giá trị cường độ ứng suất quan trọng lấy từ ứng suất lớn đầu vết nứt KI KII tính sử dụng mơ FEM K I tăng KII giảm o o phân bố tải trọng mode I, khi tăng từ đến 90 Nó thấy o góc tải ≥ 45 , đóng góp mode-I lớn mode-II phá huỷ dạng o mode I trở nên trội Đối với góc tải ≤ 45 có xu hướng ngược lại phá huỷ mode II trở nên chiếm ưu 56 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 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 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 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 57 Nó thường đề xuất hình thức như: [4] ( ) +( )=1 Độ dẻo dai graphene xác định từ FEM với phiên sửa đổi mẫu Arcan cho góc pha khác điều kiện tải khác Một tiêu 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] 1.2 PresentWork BinZang Datta KII/KIIC 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 KI/KIC Hình 4.2 Dự đốn đường cong mixed mode danh nghĩa ứng với chiều dài vết nứt 25 cell 58 Hình 4.2 cho ta kết phương pháp phần tử hữu hạn với mô MD tính tốn Bin Zhang [4], Datta [9] Ngồi ra, trình bày chương sở lý thuyết, đường cong phá huỷ 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 ch̉n phá huỷ Bin Zhang [4], Datta [9] 1.4 BinZang Datta KII/KIC Fracture Zone 0.8 0.6 0.4 Safe Zone 0.2 0 0.2 0.4 0.6 KI/KIC 0.8 1.2 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 K II/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 K I o cho gia tăng ứng suất kéo đầu vết nứt với góc tải từ đến 59 45 kết tương tự trước Ngược lại, giá trị K II giảm với góc tải từ giá trị đỉnh tại > 45 ° đến = 90 ° 4.2 THẢO LUẬN Từ hình 4.2 4.3 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, 0 thấy góc pha = đến 15 có vẻ đường cong, cịn = đến 75 đường phân bố Đặt biệt hình 4.3, biểu diễn vùng an toàn nguy hiểm vật liệu Ứng với mode I, thấy kết FEM tương tự MD, mode II, ta thấy mơ hình FEM rời rạc MD có khác biệt lớn Cũng điều kiện biên mode II mơ hình FEM rời rạc khơng phù hợp 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Luận văn hoàn tất đạt yêu cầu đề ra, bao gồm: - Một mơ hình FEM cho dạng hỗn hợp (mode I / mode II) graphene thực - Xác định hệ số cường độ tới hạn mixed mode 0 0 0 trường hợp góc pha: ; 15 ; 30 ; 45 ; 60 ; 75 ; 90 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 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 61 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 [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 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 62 [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 [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 63 [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 [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 64 ... 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. .. KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC TÀI 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 - 1580418... KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐỨC TÀI 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 - 1580418