Ảnh hưởng góc lượn của đầu vết nứt đến cường độ phá hủy của vật liệu graphene dùng phương pháp mô phỏng động học phân tử (molecular dynamic)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ẢNH HƯỞNG GÓC LƯỢN CỦA ĐẦU VẾT NỨT ĐẾN CƯỜNG ĐỘ PHÁ HỦY CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE DÙNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ (MOLECULAR DYNAMIC) SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ẢNH HƯỞNG GÓC LƯỢN CỦA ĐẦU VẾT NỨT ĐẾN CƯỜNG ĐỘ PHÁ HỦY CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE DÙNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ (MOLECULAR DYNAMIC) Mã số: T2018-09TĐ Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Minh Kỳ Thành viên đề tài: Đỗ Trai TP HCM, 4/2019 Danh sách thành viên tham gia nghiên cứu đề tài đơn vị phối hợp chính: 1- Nguyễn Minh Kỳ - Giảng viên - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Chủ nhiệm đề tài 2- Đỗ Trai (1820412 - Khóa 18A) – Học viên Cao học - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Thành viên Kết công bố đề tài Tạp chí, hội nghị: Minh-Ky, Nguyen Atomistic Simulation Study of Crack Tip Blunting and the Influence of Blunting Behavior on the Fracture Strength of A Single Layer Graphene Sheet 2018 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), 268 – 272, 12-2018 https://ieeexplore.ieee.org/document/8595548 Đào tạo 01 thạc sĩ bảo vệ đề cương ngày 23-2-2019 Mục lục Chương TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3 Tổng quan vật liệu graphene 1.4 Tính chất vật liệu Graphene 10 1.5 Ứng dụng vật liệu Graphene 11 1.6 Cấu trúc phân tử vật liệu Graphene 15 1.7 Tổng quan học phá hủy 16 1.7.1 Biểu đồ ứng suất – chuyển vị 16 1.7.2 Sự hình thành phát triển vết nứt 17 1.7.3 Fracture modes (các dạng phá hủy) 20 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG TÍNH TỐN 2.1 Giới thiệu 22 2.2 Mơ hình mơ phương pháp tính tốn 22 2.3 Mơ hình mơ hình thành góc lượn đầu vết nứt 25 2.4 Độ bền phá hủy bán kính góc lượn 33 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết đạt 35 3.2 Suất giải phóng lượng cường độ ứng suất tới hạn 36 3.3 Thảo luận đánh giá 39 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận 40 4.2 Kiến nghị 40 Tài liệu tham khảo 41 Phụ lục 43 Phụ lục 47 Danh mục hình ảnh Hình 1.1 a) Than chì; b) Cấu trúc Graphit Hình 1.2 Sơ đồ chế dẫn điện Graphene pin mặt trời Hình 1.3 Mơ hình mạng tinh thể graphene Hình 1.4 Ơ mạng sở graphene mạng đảo Hình 1.5 Ðồ thị chuyển vị - ứng suất (Hooke-law) Hình 1.6 Các dạng hình thành đầu vết nứt Hình 1.7 Mối quan hệ đầu vết nứt sơ đồ tải Hình 1.8 Các dạng phá hủy vật liệu Hình 2.1 Mơ hình MD dùng để tính tốn với chiều dài vết nứt c = 50Å a- Kích thước graphene đơn lớp với chiều dài vết nứt b- Mơ hình chi tiết graphene đơn lớp đầu vết nứt Hình 2.2 mơ hình thành vết nứt qua bước tải khác Hình 2.3 Mối quan hệ biến dạng bond đầu vết nứt bước tải khác Hình 2.4 Chi tiết hóa q trình xuất hình thành vết nứt đến q trình tạo góc tù mơ hình AC với tọa độ ZoY Hình 3.1 Mối quan hệ ứng suất phá hủy bán kính đầu vết nứt khác thu từ kết mô MD Danh mục biểu bảng Bảng 3-1 Bán kính cong đầu vết nứt qua bước tải Bảng 3-2 So sánh hệ số cường độ ứng suất tới hạn (KIC) với tác giả khác Bảng 3.3 Dự đoán giá trị ứng suất biến dạng tới hạn vật liệu SLGS Bảng 3.4 Dự đốn giá trị suất giải phóng lượng vật liệu SLGS Danh mục chữ viết tắt Greek symbols  stress of the cell wall  Poisson’s ratio f fracture strength of the cell wall Å Angstrom ε bond strain Roman symbols a fracture quantum 2D two dimensional c half of the crack length d diameter of bond E elastic modulus (Young’s modulus) KI mode I stress intensity factors with KIC mode I critical stress intensity factors (Mode I fracture toughness) KII mode II stress intensity factors KIIC mode II critical stress intensity factors (Mode II fracture toughness) l current bond length AC armchair C-C carbon-carbon FEM finite flement method Fig figure LEFM linear elastic fracture mechanics MD molecular dynamics SLGS single layer graphene sheet BM 08TĐ Thông tin kết nghiên cứu TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Khoa CKM Tp HCM, Ngày 10 tháng năm 2019 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Anh hưởng góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy vật liệu Graphene dùng phương pháp mô động học phân tử (Molecular Dynamic) - Mã số: T2018-09TĐ - Chủ nhiệm: Nguyễn Minh Kỳ - Cơ quan chủ trì: ĐH SPKT TP.Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 2/2018 -2/2019 Mục tiêu: + Viết phương trình chuyển vị Atom + Nghiên cứu chuyển động Atom, từ xác định trình hình thành góc lõm, góc lượn + Xác định ứng suất lớn đầu vết nứt hình thành góc lượn + So sánh kết nghiên cứu so với kết công bố Tính sáng tạo: Đây phương pháp dùng để tính tốn cho vật liệu (Graphene) mà giới sử dụng rộng rãi Kết nghiên cứu: + Tất kết nghiên ứng sử phá hủy vật liệu graphene đề tài bao gồm: trình hình thành vết nứt, phát triển vết nứt, hình thành góc lượn (góc tù) đầu vết nứt, độ bền phá hủy suất giải phóng lượng nội dung nghiên cứu đề tài + Chúng đề xuất ba chế nơi mà trình hình thành vết nứt sảy vùng tự tạo góc lượn vùng vết nứt thực ba mô với ba mẫu để chứng minh tạo góc lượn đàn hồi đầu vết nứt + Đối với nghiên cứu độ bền phá hủy vật liệu Graphene với nhiều bán kính cong đầu vết nứt khác nhau, nhiều ứng sử vết nứt khác chứng minh tượng tự tạo góc lượn đầu vết nứt quan trọng, ảnh hưởng đến trình bắt đầu hình thành phát triển vết nứt + Bán kính đầu vết nứt hình thành góc lượn từ 1.642 đến 2.843Å, nơi mà ước lượng độ giảm cường độ phá hủy + Kết nghiên cứu xem quan trọng trình mơ hình hóa ứng sử phá hủy graphene đơn lớp, dự đoán phá hủy tới hạn sau tạo góc tù chế phá hủy vật liệu Sản phẩm: + Minh-Ky, Nguyen Atomistic Simulation Study of Crack Tip Blunting and the Influence of Blunting Behavior on the Fracture Strength of A Single Layer Graphene Sheet 2018 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), 268 – 272, 12-2018 https://ieeexplore.ieee.org/document/8595548 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Kết áp dụng công tác giảng dạy sau đại học nghiên cứu phát triển Trưởng Đơn vị (ký, họ tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) BM 09TĐ Thông tin kết nghiên cứu tiếng Anh INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Atomistic Simulation Study of Crack Tip Blunting and the Influence of Blunting Behavior on the Fracture Strength of A Single Layer Graphene Sheet Code number: T2018-09TĐ Coordinator: Minh –Ky, Nguyen Implementing institution: HCMUTE Duration: from Feb/2018 to Mar/2019 Objective(s): Study of atomic measures of deformation and fracture of graphene material, utilizing molecular dynamics (MD), simulation that incorporates newly developed theoretical models and computational algorithms to probe the microstructural effects in single layer graphene sheet Creativeness and innovativeness: In this topic, we explore a possible method of atomistic modeling of the crack initiation and propagation and fracture strength is then studied by the molecular dynamics (MD) simulations Research results: The consequence of this result on the fracture behavior of graphene, including the crack initiation, crack propagation, blunting, fracture strength and energy release rate is the main topic of this paper We proposed three mechanisms by which crack growth can occur in such blunted regions and also performed simulations on three different specimens of graphene sheets to demonstrate elastic blunting For the study of fracture strength of graphene with different crack tip radius, different crack initiation behaviors are revealed, and it is demonstrated that the blunting effect of tip edges plays an important role in the fracture crack initiation and propagation of graphene The characterized crack tip radius from 1.642 to 2.843Å is observed, which can be used to estimate the fracture strength due to blunting at crack tip The results of this work are deemed to be of importance from the perspective of modeling the fracture behavior of graphene sheet and in predicting its ultimate failure, post-blunting in fracture mechanism Products: Minh-Ky, Nguyen Atomistic Simulation Study of Crack Tip Blunting and the Influence of Blunting Behavior on the Fracture Strength of A Single Layer Graphene Sheet 2018 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), 268 – 272, 12-2018 https://ieeexplore.ieee.org/document/8595548 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: Apllying for graduate training Chương TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt Nam nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano khơng cịn lạ mà vấn đề nghiên cứu nhiều, liên tiếp thời gian qua, ngành khoa học công nghệ Việt Nam đón nhận tin vui Hiện tại, nước ta có nhiều đề tài nghiên cứu liệu Graphene, theo nhiều hướng khác như: ứng dụng, chế tạo, độ bền học, … Lĩnh vực học mơ dự đốn vật liệu nano lĩnh vực nghiên cứu phức tạp kết nghiên cứu nước vô khan hiếm, đặt biệt lĩnh vực học phá hủy dùng phương pháp mô động học phân tử hoi Theo thông tin mà chúng tơi có được, thể qua cơng bố sau: 1- Huỳnh Trần Mỹ Hòa Chế tạo khảo sát tính chất đặc trưng graphene, Đại học khoa học tự nhiên Tp Hồ Chí Minh, 2010 2- Pascal aubertin, Julien réthoré A molecular dynamics / extended finite element method for dynamic crack propagation Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol.30, No.4, pp 205 – 217, 2008 3- Nguyễn Minh Kỳ Fracture analysis of single layer graphene sheets Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 36A, pp10-17, 3-2016 4- 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 5- Hồng Phương Hoa, Đàm Nguyễn Anh Khoa Nghiên cứu lan truyền vết nứt dạng Mixed-Mode thực nghiệm xây dựng mơ hình tính tốn dùng ANSYS vật liệu composite sợi carbon Tạp chí Giao thơng Vận tải, ISSN 08667012, 2012 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Nghiên cứu lan truyền mô phát triển vết nứt nước ngồi nước phổ biến nhiêu Điều thể qua số kết phương pháp công bố sau: 1- Bin Zhang, Lanjv Mei, and Haifeng Xiao Nanofracture in graphene under complex mechanical stresses Applied Physics Letters, 2012, 101, 121915 2- Zhu Jian, He Ming, Qiu.Feng Effect of Vacancy Defects on the Young’s Modulus and Fracture Strength of Graphene: A Molecular Dynamics Study, Chin J Chem, 2012, 30, pp 1399-1404 3- T Belytschko, S.P Xiao, G.C Schatz, R.S Ruoff Atomistic simulations of nanotube fracture Phys Rev B 65, 2002, 235430 4- Han MY, Ozyilmaz B, Zhang Y, Kim P Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons Phys Rev Lett 2007 May 18, 98 20, 206805 5- R Xiao and J W Gillespie Jr Fracture Behaviors of Graphene Sheets and Carbon Nanotubes Physics and Applications of Graphene – Theory 2011, ISBN 978953-307-152-7 6- Cengiz Baykasoglu, Ata Mugan Nonlinear fracture analysis of single-layer graphene sheets Engineering Fracture Mechanics, 2012, 96, pp 241–250 7- Minh-Nguyen Ky, 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 1.3 Tổng quan vật liệu graphene Graphen hay graphene phẳng dày lớp nguyên tử nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong Tên gọi ghép từ "graphit" (than chì) hậu tố "-en" (tiếng Anh "-ene"); than chì nhiều graphen ghép lại Graphene có nguồn gốc từ graphite (than chì), tách từ Graphite Graphene mạng tinh thể dạng tổ ong có kích thước ngun tử tạo thành từ ngun tử cacbon cạnh Dưới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng màng lưới có bề dày bề dày nguyên tử cacbon, xếp chồng lên phải cần tới 200.000 lớp độ dày sợi tóc Hình 1.1 a) Than chì; b) Cấu trúc Graphit 1.4 Tính chất vật liệu Graphene Graphene vật liệu mỏng tất vật liệu Graphene có bề dày phần triệu loại giấy in báo thông thường 1/200000 sợi tóc Theo Geim, mắt người khơng thể nhìn thấy màng graphene có kính hiển vi điện tử tối tân nhận độ dày Graphene có tính dẫn điện nhiệt tốt Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh chất khác nhiệt độ bình thường Graphene truyền tải điện tốt đồng gấp triệu lần Hơn nữa, electron qua graphene khơng gặp điện trở nên sinh nhiệt Bản thân graphene chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt qua phát tán nhanh Độ bền Graphene Graphene chất liệu bền giới, theo thí nghiệm thực nhà nghiên cứu trường đại học Columbia Mỹ Bí mật với độ bền ngoại hạng vật liệu, theo lời đội nghiên cứu, nằm sức mạnh liên kết carbon-carbon thực tế đơn lớp graphene kiểm tra khơng có khiếm khuyết Kết cho thấy Graphene bền thép 200 lần Một sợi dây thép dài 28km tự đứt treo theo phương thẳng đứng, sợi dây graphene đứt điều kiện tương tự độ dài 1.000km Graphene dễ chế tạo dễ thay đổi hình dạng 10 Graphene có cấu trúc mềm dẻo màng chất dẻo bẻ cong, gập hay cuộn lại Nó có nhiều đặc tính ống nano, graphene dễ chế tạo dễ thay đổi ống nano; sử dụng nhiều việc chế tạo vật dụng cần chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn Các nhà Vật Lý bắt đầu sử dụng graphene phịng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn để thử nghiệm tượng lượng tử nhiệt độ bình thường Graphene hồn tồn khơng khơng khí lọt qua Lớp màng graphene ngăn cản phân tử khí nhỏ nhất, khơng cho chúng lọt qua Phiến màng đơn cấp độ phân tử kết hợp với cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dùng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử Chỉ với lượng nhỏ, graphene có khả bịt kín chặt lỗ thấm lọc 1.5 Ứng dụng vật liệu Graphene Dây dẫn điện cực suốt Các nhà nghiên cứu trường Đại học California, Mỹ, phát triển phương pháp sản xuất ống ghép nano cacbon-graphene có tiềm dùng làm dây dẫn suốt pin mặt trời thiết bị điện tử gia dụng khác Các ống ghép nano cacbon-graphene vật liệu thay rẻ mềm dẻo nhiều so với loại vật liệu sử dụng pin mặt trời thiết bị điện tử dẻo khác Ống ghép nano cacbon-graphene loại vật liệu thay cho oxit thiếc Indi có hiệu suất cao lý tưởng thiết bị điện tử có linh kiện rời Graphene chất dẫn điện tuyệt vời ống nano cacbon ứng cử viên lý tưởng dây dẫn điện suốt chúng dẫn điện địi hỏi vật liệu Phương pháp kết hợp hai loại vật liệu đơn giản, rẻ tiền tương thích với thiết bị mềm dẻo Ống ghép nano cacbon-graphene sản xuất theo phương pháp đạt hiệu suất sánh với oxit thiếc Indi sử dụng thiết bị mềm dẻo 11 Hình 1.2 Sơ đồ chế dẫn điện Graphene pin mặt trời  FET graphene Transistor hiệu ứng trường (FET) chế tạo cách làm nóng bánh xốp silicon carbide (SiC) để tạo lớp mặt gồm nguyên tử cacbon dạng graphene Các cực phát thu song song cho lắng lên graphene, để lại rãnh graphene bị bóc trần chúng Tiếp theo, cho lắng màng mỏng cách điện lên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh hưởng bất lợi đến tính chất điện tử Để làm vậy, trước tiên ta đặt thêm lớp polyhydroxystrene 10nm để bảo vệ graphene Sau đó, lớp oxit bình thường cho lắng lên, điện cực cổng kim loại Chiều dài cổng tương đối lớn, đến 240 nm, thu nhỏ xuống tương lai để cải thiện hiệu suất dụng cụ  Chíp máy tính Các nhà nghiên cứu tạo bóng bán dẫn nhỏ giới- có bề dày nguyên tử rộng 10 nguyên tử từ Graphene Chiếc bóng bán dẫn này, chất công tắc bật tắt Chiếc bóng bán dẫn thiết bị quan trọng bảng vi mạch tảng thiết bị điện tử Những bóng bán dẫn làm việc với điều kiện nhiệt độ phòng - giống yêu cầu thiết bị điện tử đại khác Bóng bán dẫn Graphene nhỏ lại hoạt động tốt Bóng bán dẫn chế tạo cách lắp Graphene vào mạch điện siêu nhỏ Chiếc bóng bán dẫn 12 chế tạo nhà khoa học Manchester (Tiến sỹ Kostya Novoselov giáo sư Andre Geim)  Màn hình ti vi cảm ứng Các nhà nghiên cứu người Anh chế tạo hình tinh thể lỏng tí hon cách sử dụng Graphene Một ngày hình ứng dụng vào thứ từ hình cảm ứng điện thoại di động đến ti vi Để tạo hình tinh thể lỏng graphene, nhà nghiên cứu phân hủy mảnh graphite thành graphene, phun xịt thể vẩn thu lên bề mặt thủy tinh Khi bề mặt hịa tan sấy khơ, nhà nghiên cứu lựa mảnh nhỏ sử dụng chúng cực điện cho hình tinh thể lỏng nhỏ Màn hình tinh thể lỏng nhỏ bé, độ phân giải pixel kích cỡ khoảng micromet Tuy nhiên, nhà nghiên cứu cho biết, số nâng cấp độ phân giải gần giống hình điện thoại di động  Các tế bào lượng Graphene giúp khai thác lượng tốt Ngồi pin cho điện thoại đồng hồ thơng minh, loại vật liệu mang tới nhiều lợi ích cho điện quang Năm 2013, đại học công nghệ Michigan Mỹ phát graphane thay platinum, thành phần quan trọng có giá thành đắt (khoảng 1500 USD/ounce) tế bào lượng mặt trời Nhờ vào cấu trúc phân tử mình, graphene có độ dẫn hoạt động xúc tác cần thiết để khai thác chuyển đổi lượng từ mặt trời với hiệu suất cao  Pin Có lẽ vấn đề lớn hầu hết thiết bị di động việc chúng cần sạc lại liên tục Nhưng kể từ năm 2011, mà kỹ sư trường đại học Northwestern phát cực dương graphene giữ điện tốt cực dương than chì – với thời lượng nạp nhanh đến 10 lần – nhà nghiên cứu tích cực thí nghiệm với hợp chất graphene để áp dụng vào công nghệ pin 13 Cuối tháng Năm vừa qua, nhà khoa học đại học Rice Mỹ phát graphene trộn lẫn với vanadi oxit (một giải pháp tương đối rẻ tiền) tạo cực âm pin, sạc tới 90% dung lượng 20 giây , giữ khả sau 1000 chu kì sử dụng  Vật liệu Composite Graphene cứng nhẹ Hiện nay, kỹ sư hàng không kết hợp sợi carbon vào sản xuất máy bay mạnh nhẹ Tuy nhiên, graphene mạnh nhiều nhẹ nhiều Cuối cùng, người ta hy vọng graphene sử dụng để tạo vật liệu thay thép cấu trúc máy bay, cải thiện hiệu suất nhiên liệu, phạm vi giảm trọng lượng Do độ dẫn điện nó, chí sử dụng để làm vật liệu bề mặt máy bay để ngăn chặn thiệt hại điện sét đánh Trong trường hợp này, màng graphene sử dụng để đo tốc độ biến dạng, thông báo cho phi công thay đổi mức độ căng thẳng mà cánh máy bay Những đặc tính giúp việc phát triển ứng dụng đòi hỏi sức mạnh cao áo giáp thể cho nhân viên quân phương tiện  Kỹ thuật Sinh học Kỹ thuật ứng dụng sinh học chắn lĩnh vực graphene trở thành phần quan trọng tương lai Mặc dù số trở ngại cần phải khắc phục trước sử dụng Các ước tính cho thấy không đến năm 2030 bắt đầu thấy graphene sử dụng rộng rãi ứng dụng sinh học cần phải hiểu tính tương thích sinh học nó.Tuy nhiên, thuộc tính mà cho thấy cách mạng lĩnh vực kỹ thuật sinh học Graphene có độ dẫn điện cao, độ mỏng độ bền cao, ứng cử viên tốt cho việc phát triển thiết bị cảm biến điện sinh học nhanh hiệu với khả giám sát thứ mức độ đường huyết, mức độ hemoglobin, cholesterol chí Deoxyribo Nucleic Acid Ngồi ra, cấu tạo phân tử tiềm tương thích sinh học, sử dụng trình tái tạo mơ 14 1.6 Cấu trúc phân tử vật liệu Graphene Màng (tấm) graphene tạo thành từ nguyên tử carbon xếp theo cấu trúc lục giác mặt phẳng (còn gọi cấu trúc tổ ong) lai hoá sp2 Khoảng cách nguyên tử Carbon gần l = 1,38Å, số tài liệu khác l= 1.42Å Tinh thể graphene mạng hai chiều nguyên tử cacbon xếp đỉnh ô lục giác mặt phẳng giống bề mặt tổ ong Ba số bốn điện tử hóa trị cacbon hình thành ba orbital lai hóa sp2, thực liên kết sigma (σ) với nguyên tử lân cận bảo đảm bền vững mạng, điện tử cuối thực liên kết pi (π) không định xứ (còn gọi liên kết liên hợp pi (π)) tồn mạng định tính chất điện graphene Hình 1.3 Mơ hình mạng tinh thể graphene Hình 1.4 Ô mạng sở graphene mạng đảo 15 1.7 Tổng quan học phá hủy Cơ học phá hủy lĩnh vực học, nghiên cứu hình thành vết nứt vật liệu, độ bền tuổi thọ vật liệu, chi tiết máy có vết nứt Cho phép định lượng mối quan hệ tính chất vật liệu, ứng suất vết nứt gây phá hủy chế lan truyền vết nứt Cho phép xác định mối quan hệ ứng suất, biến dạng, tinh chất hình dạng vật liệu Sử dụng phương pháp phân tích học vật rắn để tính tốn động lực vết nứt thí nghiệm học vật rắn để mơ tả đặc điểm chống lại phá hủy Hệ số cường độ ứng suất thông số vô quan trọng học phá hủy, nói lên mức độ tập trung ứng suất đỉnh vết nứt Trong không gian chiều, hệ số cường độ ứng suất KI , KII ,KIII , hệ số đặc trung cho chuyển vị độc lập vết nứt gồm dạng mở rộng (opening – mode I), dạng trượt (sliding – mode II) dạng xé (tearing – mode III) 1.7.1 Biểu đồ ứng suất – chuyển vị Hình 1.5 Ðồ thị chuyển vị - ứng suất (Hooke-law) 16 Giai đoạn tỉ lệ: Giai doạn thể đoạn OA Trong giai đoạn này, vật liệu có tính dàn hồi, tức sau bỏ hết tải trọng hay lực kéo, mẫu thử hoàn toàn trở lại trạng thái chiều dài ban dầu Khi kéo mẫu đến điểm B, đồ thị có dạng nằm ngang AB gọi vùng dẻo Trong giai đoạn này, không tăng lực kéo, mẫu bị giãn Ứng suất tương ứng với điểm B gọi giới hạn chảy Hết mặt chảy độ bền kim loại khôi phục Ðó giai đoạn tái bền tương ứng với đoạn BC Cuối giai đoạn này, mẫu thử hình thành chỗ tóp cổ chai (ultimate) Chính chỗ tóp cổ chai làm cho độ giãn lớn Ứng suất cao (điểm C) gọi giới hạn bền 𝜎b Sau diểm C, đồ thị tụt xuống đến điểm định mẫu đứt Sở dĩ có đoạn tụt xuống lúc chỗ tóp có diện tích tương đối bé nên lực kéo không cần lớn trước Điểm D đồ thị gọi điểm đứt hay vật liệu bị phá hủy Nó hình thành vào cuối giai đoạn cuối giản đồ Hooke-law 1.7.2 Sự hình thành phát triển vết nứt Vết nứt (crack length) hình thành từ nhiều yếu tố khác nhau: - Trong trình gia công như: khoan, cắt, … vật liệu - Trong trình hình thành hay kết tinh vật liệu sinh khuyết tật cấu trúc vật liệu như: vết nứt tế vi, lỗ rỗng, bọt khí… - Hoặc q trình sử dụng,… • Dưới tác dụng ứng suất thay đổi không thay đổi, khuyết tật hình thành vết nứt sau phát triển vết nứt • Ðầu vết nứt (crack tip) nhọn tù, tùy vào trường hợp cụ thể tính tốn theo phương án khác 17 Hình 1.6 Các dạng hình thành đầu vết nứt loa d Sự phá hủy đàn hồi tuyến tính Pc Pu Pi Pm Pi fracture fracture (a) (b) (c) Mouth opening Ideal elastic brittle behavior cleavage fracture P: Applied load Py: Yield load Load ratio, P/Py sharp tip 1.0 Fracture Displacement, u 18 ... CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Anh hưởng góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy vật liệu Graphene dùng phương pháp mô động học phân tử (Molecular Dynamic) - Mã số: T2018-09TĐ - Chủ nhiệm:... ứng sử vết nứt khác chứng minh tượng tự tạo góc lượn đầu vết nứt quan trọng, ảnh hưởng đến trình bắt đầu hình thành phát triển vết nứt + Bán kính đầu vết nứt hình thành góc lượn từ 1.642 đến 2.843Å,... ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ẢNH HƯỞNG GÓC LƯỢN CỦA ĐẦU VẾT NỨT ĐẾN CƯỜNG ĐỘ PHÁ HỦY CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE