+ All Categories
Home > Documents > Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z...

Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z...

Date post: 13-Jun-2020
Category:
Upload: others
View: 13 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
12
ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ ﺩﺭ ﭘﻴﺸﺮﻓﺘﻪ ﻣﻮﺍﺩ ﺳﺎﻝ، ۳۲ ﺷﻤﺎﺭﺓ، ٢ ، ﭘﺎﻳﻴﺰ١٣٩٢ ٤٣ ﺷﺒ ﺳﺎﺯ ﺧﻮﺍﺹ ﺍﻻﺳﺘﻴﮏ ﻧﺎﻧﻮ ﮐﺎﻣﭙﻮﺯAl-SiC ﺭﻭﺵ ﺍﺯ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺑﺎ ﻨﺎﻣ ﻣﻮﻟﮑﻮﻟ١ ﺍﺳﻤﺎﻋﻴﻠ ﺭﺿﺎ ﺑﻴﺎﺽ ﺩﺷﺖ ﻣﺤﻤﺪﺭﺿﺎ* ﻣﻬﻨﺪﺳ ﺑﺨﺶ ﻣﮑﺎﻧﻴﮏ، ﺩﺍﻧﺸﮑﺪﻩ ﻓﻨ ﻣﻬﻨﺪﺳ ﺷﻬ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ، ﮐﺮﻣﺎﻥ ﺑﺎﻫﻨﺮ) ﻣﻘﺎﻟﻪ ﺩﺭﻳﺎﻓﺖ: ٠٣ / ١٢ / ١٣٩٠ - ﻧﻬﺎﻳﻲ ﻧﺴﺨﻪ ﺩﺭﻳﺎﻓﺖ: ١٤ / ١٢ / ١٣٩١ ( ﭼﻜﻴﺪﻩ- ﺩﺭ ﺗﺤﻘ ﺣﺎﺿﺮ ﺍﺯ ﺷﺒﻴﻪ ﺭﻭﺵ ﺳﺎﺯ ﻣﻮﻟﮑﻮﻟ ﺩﻳﻨﺎﻣﻴﮏ ﺑﺮﺍ ﭘﻴﺶ ﺑﻴﻨ ﻣﺪﻭﻝ ﺷﺎﻣﻞ ﺍﻻﺳﺘﻴﮏ ﺧﻮﺍﺹ ﺑﺮﺷ ﻣﺪﻭﻝ ﺍﻻﺳﺘﻴﮏ، ﺿﺮ ﭘﻮﺍﺳﻮﻥ ﻧﺎﻧﻮ ﮐﺎﻣﭙﻮﺯ ﺯﻣ ﻨﻪ ﻓﻠﺰAl-SiC ﺑﺎ ﺩﺭﺻﺪﻫﺎ ﻣﺨﺘﻠﻒ ﺗﻘﻮ ﮐﻨﻨﺪﻩ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺷﺪﻩ ﺍﺳﺖ. ﺑﺮﺍ ﺍﻧﺠﺎﻡ ﺷﺒ ﺳﺎﺯ ﺑﺴﺘﻪ ﺍﺯ ﺍﻓـﺰﺍﺭ ﻧـﺮﻡ ﻣـﺘﻦ ﺑـﺎﺯLAMMPS ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺍﺳﺖ ﮔﺮﺩﻳﺪﻩ. ﺍﺗﻢ ﺩﺍﺩﻥ ﻗﺮﺍﺭ ﺍﺯ ﭘﺲ ﻫﺎ ﺁﻟﻮﻣ ﻮﻡ ﮑﻮﻥ ﮐﺎﺭﺑﺎ ﻣﮑﺎﻥ ﺩﺭ ﻫﺎ ﺍﻭﻟ ﺧﻮﺩ، ﺁﻥ ﭘﺘﺎﻧﺴ ﻫﺎ ﺍﺗﻤ ﺑﻴﻦ ﻣﻨﺎﺳﺐ ﺗﻌﺮ ﺷﺪ ﺍﺳﺖ. ﺍﺯ ﭘﺘﺎﻧﺴEAM ﺑﺮﺍ ﺍﺗﻢ ﻫﺎ ﺁﻟﻮﻣ ﻮﻡ، ﭘﺘﺎﻧﺴﻴﻞ ﺍﺯMorse ﺑﺮﺍ ﺍﺗﻢ ﻫﺎAl-C Al-Si ﭘﺘﺎﻧﺴ ﺍﺯTersoff ﺑﺮﺍ ﺍﺗـﻢ ﻫـﺎC-C ، Si-C Si-Si ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺷﺪﻩ ﺍﺳﺖ. ﻣﻘﺎﻳﺴﻪ ﻧﺘﺎ ﺷﺒ ﺳﺎﺯ ﻣﺪﻝ ﺑﺎ ﻫﺎ ﻣﻴﮑﺮﻭﻣﮑﺎﻧﻴﮑ ﻫﺎﻟﭙﻴﻦ ﺭﻭﺱ ﻓﮕﺖ،- ﺗﺴﺎ ﭘﻴﺶ ﮐﻪ ﺍﺳﺖ ﺩﺍﺩﻩ ﻧﺸﺎﻥ ﺑﻴﻨ ﺑﻪ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﺎ ﺍﻻﺳﺘﻴﮏ ﺧﻮﺍﺹ ﺣﺪ ﺍﻻﺳﺘﻴﺴﻴﺘﻪ ﺍﺻﻮﻝ ﺑﻪ ﺑﺎﻻ ﺣﺪ ﻣﺪﻝ ﻓﮕﺖ ﻧﺰﺩ ﺍﺳﺖ. ﻭﺍﮊﮔﺎﻥ ﻛﻠﻴﺪﻱ: ﺷﺒ ﺍﻻﺳﺘﻴﮏ، ﺧﻮﺍﺹ ﻴﻪ ﺳﺎﺯ ﻣﻮﻟﮑﻮﻟ ﺩﻳﻨﺎﻣﻴﮏ، ﻧﺎﻧﻮﮐﺎﻣﭙﻮﺯﻳﺖ، ﺁﻟﻮﻣ ﻮﻡ- ﮐﺎﺭﺑﺎ ﮑﻮﻥSimulation of mechanical properties of Al-SiC nanocomposite using molecular dynamics method R. Esmaeili and M.R. Dashtbayazi Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman Abstract: In the present work, molecular dynamics simulation method was used for determining Young's modulus, Shear modulus and Poisson’s ratio of Al-SiC nanocomposites, with different volume fractions of the reinforcements. For simulation, the open source package, LAMMPS, was used. After putting Aluminum and Silicon Carbide atoms in their initial positions, interatomic potentials between them were defined. EAM potential was used for Aluminum atoms, Morse potential was used for Al-C and Al-Si, and for C-C, Si-C, and Si-Si Tersoff potential was used. According to the elastic bounding principal, and the comparison between the simulations results and Voigt, Ruess and Halpin-Tsai micromechanical models showed that the results were close to the upper bound Voigt model. Keywords: elastic properties, molecular dynamics simulation, nanocomposite, aluminum-silicon carbid. ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ* : ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻧﻴﻜﻲ ﭘﺴﺖ ﻣﻜﺎﺗﺒﺎﺕ، ﻣﺴﺌﻮﻝ: [email protected] Downloaded from jame.iut.ac.ir at 0:29 IRDT on Sunday June 21st 2020
Transcript
Page 1: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

٤٣ ١٣٩٢ پاييز ،٢، شمارة ۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي

يک مولکوليناميبا استفاده از روش د Al-SiC تيکامپوز نانو االستيک خواص يساز هيشب

١

* محمدرضا دشت بياض ويرضا اسماعيل

د باهنر کرماني، دانشگاه شهي و مهندسيفندانشکده مکانيک، يبخش مهندس

)١٤/١٢/١٣٩١ : دريافت نسخه نهايي-٠٣/١٢/١٣٩٠ :دريافت مقاله(

نانو پواسون بيضر و ياالستيک، مدول برش خواص االستيک شامل مدول يبين پيش ي براي ديناميک مولکوليساز روش شبيه از ق حاضريتحق در -چكيده LAMMPSبـاز مـتن ي نـرم افـزار ي از بسته يساز هيشبانجام يبرا. است شده استفاده کننده تيتقو مختلف يدرصدها با Al-SiC يفلز نهيزم تيکامپوز

از . ه است شدفيتعرمناسب ي بين اتمليها پتانس آننيخود، ب هي اوليها در مکاندي کارباکونيلي و سوميني آلوم يها پس از قرار دادن اتم . گرديده است استفاده Si-Si و C-C ،Si-C يهـا اتـم ي برا Tersoff لي و از پتانس Al-Si و Al-C يها اتم ي برا Morse و از پتانسيل وم،يني آلوم يها اتم ي برا EAM ليپتانس

خواص االستيک با توجه به يبين نشان داده است که پيش ي تسا - فگت، روس و هالپين ي ميکرومکانيک يها با مدل يساز هيشب جينتا مقايسه. است شدهاستفاده .است کينزد فگت يمدل حد باال بهياصول االستيسيته حد

ديکون کاربايلي س-ومينيآلوم ، نانوکامپوزيت،ي ديناميک مولکوليساز يهخواص االستيک، شب : كليدي واژگان

Simulation of mechanical properties of Al-SiC nanocomposite using

molecular dynamics method

R. Esmaeili and M.R. Dashtbayazi

Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman

Abstract: In the present work, molecular dynamics simulation method was used for determining Young's modulus, Shear modulus and Poisson’s ratio of Al-SiC nanocomposites, with different volume fractions of the reinforcements. For simulation, the open source package, LAMMPS, was used. After putting Aluminum and Silicon Carbide atoms in their initial positions, interatomic potentials between them were defined. EAM potential was used for Aluminum atoms, Morse potential was used for Al-C and Al-Si, and for C-C, Si-C, and Si-Si Tersoff potential was used. According to the elastic bounding principal, and the comparison between the simulations results and Voigt, Ruess and Halpin-Tsai micromechanical models showed that the results were close to the upper bound Voigt model. Keywords: elastic properties, molecular dynamics simulation, nanocomposite, aluminum-silicon carbid.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

[email protected]: مسئول مكاتبات، پست الكترونيكي : *

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 2: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

٤٤ ١٣٩٢ پاييز ،٢، شمارة ۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي

مقدمه -١

برتـر يکي خـواص مکـان ي ل ارائـه يـ ها به دل تينانوکامپوز

ي کـاربرد ياهـ لينـس ا پت ي دارا ي تک فاز يسنتمواد نسبت به

ــز ــوارد. هــستنديادي ــه همــراه ي در م ــاال ب ــه اســتحکام ب ک

از ي پايه فلـز يها نياز باشد نانوکامپوزيت ي کاف يپذير انعطاف

باال و ل وزن کم يبه دل م ويني آلوم يآلياژها. اهميت برخوردارند

اسـتفاده در يبـرا برگزيده مواد ،بودن نسبت استحکام به وزن

به هااژين آل يا .]۱[ هستند يساز خودرو و يسازمايهواپع يصنا

بـا مختلـف يکيب بـا ذرات سـرام ي ترک ي برا يعيصورت وس

]. ۲ [اند به کار برده شده کننده، به عنوان تقويت ياندازه نانومتر

نـسبت بـه ،ناشيـ ايال مز يـ به دل يکي سرام وذراتاننهمچنين،

که اند خود مورد توجه قرار گرفته ي سنت ي درشت ذره انيهمتا

(SiC)ديـ کون کاربايلي سها نيتر از پر کاربرد يکيها ان آنياز م

ينـانومتر ذرات بـا شـده تيتقو يها تي نانوکامپوز .]۳ [است

مـت يق و يعـال يکيمکـان خـواص خاطر به ديکاربا کونيليس

و صـنايع مختلـف قـان محق ژهيـ و توجه مورد مناسب ساخت

].۵ و ۴[دارند قرار

ن وجـود دارد ا محققـ ي که پـيش رو يهاي از جمله چالش

ي خواص اين نوع از مواد است، زيرا ساخت و بررس يبين پيش

خواص اين مواد باعث صرف هزينـه و وقـت فـراوان يتجرب

اي رايانه يساز شبيهيها ن از روش ابدين منظور محقق . شود يم

مـورد اسـتفاده، يساز هي شب يها از روش يکي. كنند ياستفاده م

ـ اخ يهـا است که در سـال يک مولکول ينامي د يساز هيشب ر در ي

و ي کربنـــيهــا نانولولــه يکي خــواص مکـــان ينــ يب شيپــ

، ]٧ و ٦ [ي کربنـ يهـا شـده بـا نانولولـه تي تقو يها تيکامپوز

ــنانوکامپوز ــا تيــ ــ گرافيهــ ــس/ تيــ و ] ٩و ٨ [ياپوکــ

به وفـور اسـتفاده ] ١١ و ١٠[گر ي مختلف د يها تينانوکامپوز

.شده است

يبينـ تحقيقات انجـام گرفتـه در رابطـه بـا پـيش مطالعهبا

با اسـتفاده موآلوميني زمينه يها نانوکامپوزيت يخواص مکانيک

موجـود ي و متون علمـ يديناميک مولکول يساز شبيهاز روش

در اين يا گسترده که تحقيقات شويم يدر اين رابطه، متوجه م

حاضـر تحقيـق بـدين منظـور در .رابطه انجام نپذيرفته اسـت

بـا دهشـ تي تقووميني آلوم زمينه تيک نانوکامپوز يخواص االست

ي مولکـول کيـ نامي د ش به رو دياربا ک نوکيلي س يذرات نانومتر

ياثر تغييـر درصـد کـسر حجمـ ن ي همچن .ندا شده يساز هيشب

بـر خـواص كاربايـد سـيليكون کننـده يـت تقو يذرات نانومتر

پس از . است قرار گرفته يمورد بررس ،تينانوکامپوزاالستيک

ــ ــيب شيپ ــواص ين ــتيک خ ــاده نانوکامپوزاالس ــ م ــ،تي يرا ب

و بـا اسـت شـده ارائـه يکننده مدل تي مختلف تقو يدرصدها

مـدل ، ۱فگت موجود مانند مدل يکيکرومکاني م ي سنت يها مدل

تـصديق نتـايج بـراي يا سهي مقا ۳يسا ت -هالپين مدلو ۲روس

. شده استانجام

روش حل مسئله -٢

يکـ يزي حرکـات ف اي رايانـه يساز هي شب ،ي مولکول کيناميد

دوره از کيـ يها بـرا ها و مولکول اتم. هاست ها و مولکول اتم

ي بررسـ هـا حرکـت اتـم ن دوره يو در ا دنرل دا باقتاثر م زمان

ها با حـل ها و اتم مولکولر حرکت ين روش مس يدر ا . شود يم

بـا رات از ذ ستميـ س کيـ ي برا وتني معادالت حرکت ن يعدد

ـ يروهـا ي ن .ديـ آ ياثر متقابل به دسـت مـ ي ذرات و انـرژ ني ب

نيـي تع ي مولکـول يکي مکـان يرويـ ن يها دانيم توسط ليپتانس

ـ ي بـرا ي مولکول کيناميروش د .شود يم در اواخـر ر بـا ني اول

يسخت معرف يابل ذرات کرو اثر متق مطالعه يراب ۱۹۵۰سال

سـاده عـات ي رفتار ما که باعث فهم بهتر ] ۱۳ و ۱۲[ه است شد

رحمان که يزمان بود، ۱۹۶۴ در سال ي مهم بعد شرفتيپ. شد

آرگـون ي بـرا ي واقعـ يهـا ليبا استفاده از پتانس را يساز هيشب

کيـ ي مولکول کينامي د يساز هي شب نياول]. ۱۴[انجام داد عيما

يرو نگرياسـتل و رحمـان توسط ۱۹۷۴سال در ي واقع ستميس

در دهه گذشته به طور وسـيع از ]. ۱۵[ انجام گرفت عيآب ما

يها از پديدهي بسياريساز شبيهديناميك مولكولي براي روش

ي و انــواع فراينــدهاي ماننــد انــواع خــواص مکــانيکيفيزيکــ

در ادامـه بـه ]. ۱۶[ استفاده شـده اسـت ي و متالورژيک يتوليد

.شود ي پرداخته مSiC و Alدو ماده يبلور ياختارها ستشريح

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 3: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

٤٥ ١٣٩٢ پاييز ،٢، شمارة ۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي

Al/SiC برخي از خواص اجزاي نانوکامپوزيت - ۱جدول

SiC Al خاصيت ۷-۱۱ ندارد (MPa)استحکام تسليم

۶۹۴-۳۹۲ ۷۰ (GPa)مدول االستيک

۳۵۹۶/۴ ۰۴۹۴/۴ (Å)ثابت شبکه

)3C-SiC ساختار بلوري )β FCC

FCCم به صورت و ساختار آلوميني-١شکل

)3C-SiCβ ساختار بلوري سيليکون کاربايد -٢شکل از (

هاي سيليکون و هاي قهوه اي اتم گلوله(منظرهاي مختلف

)هاي کربن هستند هاي زرد اتم گلوله

مويني آلوميساختار بلور -١-٢

ر و يپــذ وام، ســبک، شــکلک فلــز نــرم، بــاديــوم يــنيآلوم

ر يره متغ ي ت ي تا خاکستر يا که رنگش از نقره است ار وخ چکش

اشـتعال ي ندارد و به راحت يسيت مغناط يم خاص وينيآلوم. است

ــذ ينمــ . شــود ي در آب حــل نمــيط معمــوليرد و در شــرايپ

، و )کونيليژن و س يبعد از اکس ( فراوان ن عنصر يوم سوم ينيآلوم

۸د و حـدود يـ آ ين به شمار م ي زم ي تهن فلز در پوس يتر ناوافر

م وينيآلوم. دهد يل م ين را تشک يمد زم ادرصد از وزن قسمت ج

فلز قابـل ،ين و مقاومت در مقابل خوردگ يي پا يل چگال يبه دل

و هـوا فـضا ِع يش در صـنا ياهـ اژي است که به همراه آل يتوجه

م در جـدول و از خواص آلومينيـ يبرخ. رود ي به کار م خودرو

FCCم بـه صـورت وساختار آلوميني . داده شده است نشان) ۱(

.نشان داده شده است) ۱(شكل در

ديکون کاربايلي سيساختار بلور -۲-۲

۴کربورانـدوم بـه عنـوان ني همچنـ کـه د،يـ کون کاربا يليس

ييايميش و کربن با فرمولکونيلي از سيبيشود، ترک يشناخته م

SiC ه نـدرت ب ۵تيسانيمو يصورت کان به عتي در طب و است

به صورت انبـوه و د يکون کاربا يلي پودر س ].۱۷[شود يافت م ي

از يکــي. شــود يد مــيــ تولندهي اســتفاده بــه عنــوان ســايبــرا

هاسـت کـه کيد سرام يتولد يکون کاربا يليس فراوان يکاربردها

بـاال ماننـد ترمـز يحکام سايـش به اسـت مندازي ن يها کاربرد در

شـود يوله استفاده م ضد گل يها قهي جل و کالچ خودرو ن،يماش

مختلـف شـناخته ي شکل بلور ۲۵۰ با ديا کارب کونيليس .]۱۸[

د، يـ کون کاربايليج سـ ي راي از ساختارهايکي]. ۱۹[ شده است

)3C-SiCساختار )β ن سـاختار يـ ست که در کار حاضـر از ا ا

کونيلي سـ يساختار بلـور )۲(شکل ]. ۲۰[استفاده شده است

کون يلي اتم س ۱۴. دهد ي مختلف نشان م ي را از منظرها ديکاربا

اتـم کـربن در درون سـلول ۴ قرار دارنـد و FCCدر ساختار

قائم بـه عنـوان يبا در نظر گرفتن بردارها . واحد وجود دارند

اتم ۴کون و يلي اتم س۴ه شامل يه، سلول واحد اولي پايبردارها

. ده اسـت آمـ )۲(جـدول کربن خواهد بود که مختصاتشان در

.اند داده شدهنشان) ۱(جدول در SiC از خواص يبعض

يساز هيتشريح روند شب -۳

گام يعددحل متشکل از ي مولکولکينامي ديساز هيشب

دي منظور باني ايبرا. است کي حرکت کالسمعادالت به گام

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 4: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

١٣٩٢ پاييز ،٢ة ، شمار۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي ٤٦

ي سيليکون کاربايد هاي پايه مختصات اتم- ۲جدول

سيليکون کربن

(a/۴ , a/۴ , a/۴) ) ، صفر صفر ، صفر(

(a/۴ , ۳a/۴ , ۳a/۴) (صفر , a/۲, a/۲)

(۳a/۴ , a/۴ , ۳a/۴) (a/۲ ، صفر ، a/۲)

(۳a/۴ , ۳a/۴ , a/۴) (a/۲ ، a/۲ ، صفر)

سازي جرم عناصر موجود در شبيه- ۳جدول

جرم(g/mole) عنصر

۹۸/۲۶ آلومينيوم

۰۸۸۵/۲۸ سيليکون

۱۲ کربن

اي بين اتميه پتانسيل- ۴ جدول

تعامل پتانسيل

EAM Al-Al Al-Si Morse Al-C Si-Si Si-C Tersoff C-C

مـشتق از روهـا ين ن يـ ا. ها محاسبه شـوند وارد بر اتم يروهاين

کـه يمال هنگـ يتـابع پتانـس . نـد يآ يل به دست م ي پتانس يانرژ

مـورد ستمي در داخل س ي فعل و انفعاالت اتم از يقي دق شينما

نيـ ا ي دهيـ چي پ عتيطب. باشد دهيچي پ اري بس دتوان ي م ،ت اس ازين

در حـال ي دهيـ چي پ يفعل و انفعاالت به علت اثرات کوانتـوم

بـه منظـور بـه دسـت آوردن . است ي اتم ريح ز ووقوع در سط

،يديناميک مولکول اي رايانه يها يساز هي در شب قبول قابل جينتا

ـ دي با کيکالس ين اتم ي ب يها ليپتانس يل قبـول بـه صـورت قاب

ل،يبه طور معمول، تابع پتانس . ش دهند ي را نما ياثرات کوانتوم

و يمدل ساز ني همچن و به دست آمده، يتابع مشاهدات تجرب

ليع پتانس تاب]. ۲۲ و ۲۱[ است ي کوانتوم اسي مق در يساز هيشب

قـرار فـراوان مورد بحـث ياتم يها ستمي س انواع خاص يبرا

ريـ ز کل توان بـه شـ يرا م تابع ني ا يساختار کل .گرفته است

:]۲۳[نشان داد

)۱( 1 2 N 1 i 2 i ji i.j 1

3 i j ki.j I,k j

U(r , r ..., r ) V (r ) V (r ,r )

V (r ,r ,r )>

> >

= + +

+ +

∑ ∑∑ …

r و تـابع اسـت ذرات تيموقعبردار Vm ، ليپتانـس m-يا ذره

ي نـشان دهنـده ) ۱( در معادلـه اول عبـارت .شود ي م دهينام

مانند گـرانش و ي خارج يروي ن داني م کي حاصله از يانرژ

ي انـرژ ي هدنـ دوم نشان ده تعبار. است کي الکترواستات اي

سـوم ن عبـارت ي و همچنـ ذرات است؛ نيب دوگانه ليپتانس

، V1 تـابع اسـاس ني بر ا . است يا ل سه ذره يمربوط به پتانس

ــس ــارجليپتان ــسV2 ،ي خ ــي، پتان ) Vm) m > 2 و يل جفت

حجـم به منظور کاهش .شوند يده م ينام يا ل چندذره يپتانس

به بعد دوم عبارتز ا عملدر ،ي عدد يساز هيمحاسبات شب

بـا يا چنـدذره يهـا لير پتانـس ي تـاث و شـود ينظـر مـ صرف

ـ يهـا لي از دقت در پتانـس يدرجات مناسب ه گنجانـد ي جفت

در نظـر يها به صورت کرو شويم که اتم يمتذکر م . شود يم

.اند گرفته شده

ين اتمي بيها لي و پتانسها اتمه يمکان اول -۳-۱

ــنيآلوم ــFCC در ســاختارومي ــت شــبکه ب ۰۴۹۴/۴ ي ا ثاب

بـا ثابـت يمکعبـ در سـاختار ديـ کون کاربا ييلو سـ آنگستروم

ي اتمــيهــا جــرم.قــرار دارنــدآنگــستروم ۳۵۹۶/۴ ي شــبکه

.اند شان داده شدهن) ۳( جدول و کربن درنوکيلي سوم،ينيآلوم

ــ بايمولکــولديناميــک يســاز هيدر شــب ــرادي ي همــهي ب

. شـود في تعر ليها پتانس اتم ي همه ني موجود ب يها کنش هم بر

حاضـر اسـتفاده شـده يساز هي در شب لي نوع پتانس سه نيبنابرا

لي پتانـس ،نـه ي در زم ومينيآلوم يها اتم ي اول برا ليپتانس. است

، و هکننـد تي و کربن درون فاز تقو نوکيلي س ياه اتم يدوم برا

ــس ــرا ليپتان ــوم ب ــشترک ي س ــصل م ــ ۶ف ــاز نيب ــهيزمف و ن

، ]EAM۷ ]۲۴ لي از پتانـس وميني آلوم يها اتم يبرا. هکنند تيتقو

ـ کون کاربا يلي سـ يهـا اتم يبرا و ] Tersoff] ۲۵ ليد از پتانـس ي

ـ حـاکم لي پتانس يبرا ـ و تقو نـه ي زم نيب لي از پتانـس هکننـد تي

Morse] ۲۶ [ ـ يهـا ليپتانـس . شـده اسـت استفاده ن ي حـاکم ب

.ندا نشان داده شده) ۴( مختلف در جدول يها اتم

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 5: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

٤٧ ١٣٩٢ پاييز ،٢، شمارة ۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي

تصوير توسط (Al-10%SiC مپوزيتنو کاان -٣ شکل

). است توليد شدهVMDنرم افزار

يساز هي شبياجرا -۳-۲

LAMMPS ۸ز بـا متن يافزار نرم ي از بسته ن تحقيق يدر ا

در شـود و ياسـتفاده مـ ي مولکول کينامي د يساز هيشب ياکه بر

. اسـت شـده اسـتفاده ، داده شده عهتوس C يسينو برنامه طيمح

و ي اتمـ يهـا مـدل يسـاز هي قادر به شـب LAMMPS افزار نرم

اسـت و ي اتمـ اسي در مق يمواز ذرات به صورت يساز هيشب

نـازک بـه هيو ال يفناورنوا چگال، ن ي هدا م کيزي ف ي در حوزه

کي يساز هيشب انجام يتحقيق برا نيدر ا .]۲۷[رفته است کار

ي بـرا Al-SiC تيـ وزمپاکونا ن ي از مـاده ۹ نمونه يالمان حجم

ـ کون کاربا يليسـ (هکننـد تيـ تقو ي حجم مختلف يهاکسر ) دي

از جـنس مکعبيک نمونه به صورت نيا. شده است انتخاب

از ي در نظر گرفتـه شـده اسـت کـه درون آن مکعبـ ومينيآلوم

م و و سلول واحد آلوميني .د قرار داده شده است يکون کاربا يليس

اندازه ثوابتي داراي هستند وليسيليکون کاربايد هر دو مکعب

و جـز واد،ک مـ يسـت خـواص اال از آنجا کـه . ندا شبکه متفاوت

و غيرحـساس انـدازه ،و مستقل از حجـم آن ۱۰يخواص شدت

و متناسـب بـا مـشتق دوم اسـت مواد يبه عيوب ريزساختار

نکـه ي ا ض بـا فـر و] ۲۸[ هاست پيوند بين اتم ۱۱ پتانسيل يانرژ

۱۲عيـب و بدون کاملت به صورت يزومپاکونا ن يساختار بلور

ک يسـت خـواص اال يب خـوب يتوان با تقر ي شده باشد م ساخته

مدل شده را بـه ابعـاد ي نمونه يالمان حجم يا همان و مکعب

از جنس يمکعب درون (ن دو مکعب يابعاد ا . م داد يبزرگ تعم

SiC ــ ــنس آلوميني ــاط از ج ــب مح ــه ) مو و مکع ــه ب ــا توج ب

تصوير سه بعدي ) ۳(شكل .ندا م شده ي تنظ مختلف يهادرصد

كننـده را ن مكعب، براي نانوكامپوزيت با ده درصـد تقويـت اي

و نـانومتر ۲۵/۱۰۱ شده يساز هي ابعاد مکعب شب .دهد نشان مي

وميـ ني آلوم ي ثابت شبکه . بوده است نانومتر ۰۵/۴ مش ي اندازه

.، بوده استFCC در ساختار

ـ خـواص االســتيک يســاز هي شـب ازهـدف ت يــکامپوز نوا ن

Al-SiC، اسـت ۱۳االسـتيک يتفس س يماتراي ه تبثا محاسبه .

االستيک بـين مقـادير تـنش و کـرنش در يـک يماتريس سفت

به ياالستيسيته خط شود كه در اين نوشته مي محيط پيوسته به

]:۲۹[ هوک مشهور است يقانون کل

)۲(

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

12

31

23

3

2

1

66

56

46

36

26

16

65

55

45

35

25

15

64

54

44

34

24

14

63

53

43

33

23

13

62

52

42

32

22

12

61

51

41

31

21

11

12

31

23

3

2

1

γγγεεε

CCCCCC

CCCCCC

CCCCCC

CCCCCC

CCCCCC

CCCCCC

τττσσσ

تـنش و در عناصـر تانـسور سـمت چـپ آرايه ، )۲(در رابطه

کرنشعناصر تانسور و ) ها Cij (يتفس س ي ماتر ،سمت راست

۲۱ يدارا يتفس سـ يمـاتر ي در حالـت کلـ .اند نشان داده شده

در خـود يها در جـا اتم نقرار داد پس از . استثابت مستقل

و x ،y ،zجهت سه ، مکعب نمونه را در LAMMPS افزار نرم

هـاي به ترتيـب مـورد تغييـر شـكل xy و yz ،xz، سه صفحه

هـا در ر شـکل ييـ ن تغ يا. عمودي و برشي قرار داده شده است

پس از اعمال تنش در . اند نشان داده شده )۵( و )۴( يها شکل

تم اعمـال سيـ س ي بـر رو يجهات مربوطه، روش حداقل انرژ

ن يدر ا . تستم به حالت تعادل خود رسيده اس يشده است تا س

. کننـد ير م يي تغ ي زمان يها ستم در گام يروش اندازه و شکل س

ل ي پتانسيستم در حالت حداقل انرژ ي س ييدمان نها ين چ يبنابرا

يستم به تانسور خـارج ين تانسور فشار س يهاست و همچن اتم

ن اعمال فـشار مثبـت يبنابرا. ک خواهد بود يمشخص شده نزد

بـر آن معـادل يفشار منف ستم معادل فشردن آن و اعمال يبر س

.دن آن استيکش

يهـا تـنش ،شده است ر شکل اعمال يي که تغ يدر هر جهت

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 6: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

١٣٩٢ پاييز ،٢ة ، شمار۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي ٤٨

ي هاي عمودي اعمال شده بر نمونه ي تغيير شکل نحوه- ٤شکل

z و x ،yنانوکامپوزيت در سه راستاي

ي هاي برشي اعمال شده بر نمونه ي تغيير شکل نحوه-٥ شکل

yz و xy ،xzي نانوکامپوزيت در سه صفحه

افـزار نـرم . انـد شده يگير افزار اندازه وارده بر نمونه توسط نرم

LAMMPS را ر تنش انسو ت ياه لفهؤهر لحظه م قادر است در

س تـنش يم کردن ماتر يسپس با تقس .دنک ينواخامحاسبه و فر

ک سـتون يـ در يتفس سـ يبت مـاتر اوث ،بر کرنش اعمال شده

، شش ر شکل يير تغ ا ب شش هر ب با ين ترت يبد. اند محاسبه شده

يل بـرا ابـه عنـوان مثـ . انـد شده محاسبه يس سفت ي ماتر ستون

ر به صورت خالصـه نوشـته يشکل ز ه ب) ۲ (ي طهبرا ،xجهت

:شود يم

)۳(

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

12

31

23

3

2

1

61

51

41

31

21

11

12

31

23

3

2

1

γγγεεε

...

...

...

CCCCCC

τττσσσ

ود بـر جـ و تنش م x ،۶ن پس از اعمال کرنش در جهت يبنابرا

س يبـت سـتون اول مـاتر اوث و اند شده يريگ نمونه اندازه يرو

:اند شدهر محاسبه ي به شکل زيتفس

)۴(

11261

13151

12341

1331

1221

1111

ετCετCετCεσCεσCεσC

======

،سين مــاتريــ، از ايتفس ســي مــاتر عناصــرپــس از محاســبه

صورت به ۱۴ي عکس سفت سير تا مات گرفته شده است معکوس

:يددست آزير به

)۵( [ ] [ ] 1CS −=

نکـه يبا توجه به ا ، يعکس سفت س ي ماتر بعد از محاسبه عناصر

يول برشد، م)E (کيول االستدم س وابسته بهيترامن يابت اوث

)G(اســون ب پوي و ضــر( )νن خــواص يــاتــوان يهــستند مــ

ي رابطـه .كـرد محاسـبه نمونه نانوکامپوزيت ي برا راک ياالست

را ۱۵کيپوترورتو ا ي ک ماده ي يعکس سفت س يارتباط ماتر زير

]:۲۹ [دهد يک آن نشان ميستبت االاوثبا

)۶(

[ ]

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎡−−

−−

=

12

31

233

332

331

223

2

221

113

112

1

G100000

0G10000

00

G1000

000E1

EνEν

000

EνE1

000

EνEν

E1

S

، x ،y يصل نمونه در سه جهت ا يمکعبالمان ها در اتم دمانيچ

۳ نيـ مـاده در ا کيسـت خـواص اال ني است بنـابرا کساني zو

در نتيجـه خـواهيم .است کساني يل تقارن بلور ي، به دل جهت

: داشت

)۷( ννννννν

GGGGEEEE

233213311221

123123

321

=========

===

ـ پوتروارتبـه نـام خـاص از مـواد ي حـالت ، حالـت نيا کي

زيـر نوشـته ل ک به شـ )۷ (ي رابطهن يرابناب .ستا ۱۶يمکعب

]:۲۹[شود يم

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 7: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

٤٩ ١٣٩٢ پاييز ،٢، شمارة ۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي

ات برابر تغييردري ديناميک مولکوليساز با استفاده از شبيهسفتي ثوابت ماتريس يبين پيش -٦ شکل

SiCکننده تقويتي کسر حجم

)۸( [ ]

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎡−−

−−

=

G100000

0G10000

00

G1000

000E1EνEν

000

EνE1Eν

000

EνEν

E1

S

عکس سيبت ماتر اوث ي ماده از رو کيستخواص اال در نهايت

:اند شده استخراج ري به صورت زيسفت

)۹(

1112

44

11

SSνS1GS1E

×−===

LAMMPS بـا اسـتفاده از نـرم افـزار يسـاز انجام شبيه براي

. اسـت آمـده ] ۳۰[در مرجع است که کد آن شده ايجاد يمدل

بوده اسـت Intel® Core™2 Duo استفاده ردمو افزار سخت

کننده وابسته و متغير بـوده تيحل مسئله به درصد تقو و زمان

.است

ج و بحثينتا -۴

انجام شده با استفاده از مدل ايجـاد شـده يساز نتايج شبيه

)۶( شـکل در C44 و C11 ،C12 يتفس سـ ي سه ثابت مـاتر يبرا

شود ي مشاهده م)۶ (شکل که در گونه همان .اند نشان داده شده

ز يبا ناچ ياده تقر م ي کسر حجم راتيينسبت به تغ C12 راتييتغ

کـسر دهد کـه بـا افـزايش ياين تغييرات ناچيز نشان م . است

، کـاهش ۱ در جهت شـماره يکننده و بارگذار تقويت يحجم

بـا C11. ضخامت در جهت عمود بـر آن نـاچيز خواهـد بـود

که با توجـه ابدي يش م يفزاا هنندک تي تقو ي کسر حجم شيافزا

مکعـب که فقط شده است يريگ اندازه يدر حالت C11که نيبه ا

شي افـزا ني ا ،ه شده است و فشار داد هدي کش ۱ نمونه در جهت

کـه اسـت ي در جهـت طـول مادهيتف سشيافزا ي دهنده ناشن

از افزايش تـوان تحمـل نانوکامپوزيـت در اثـر افـزايش يناش

ش مدول االستيک يو با افزا است SiCميزان تحمل بار توسط

.ه تطابق داردنندک تي تقوي کسر حجمشيافزانسبت به

بـا C44 شـود کـه ي مشاهده م)۶(شکل از نمودار نيهمچن

C44 ثابـت .ابـد ي ي م شيکننده افزا تي تقو ي کسر حجم شيافزا

ر ييـ تغ yz يبرشـ ب نمونـه در جهـت عمکالمان که يدر حالت

ـ شي افـزا نيـ ا .اسـت شـده بـه دسـت آمـده شکل داده ناش ن

کـه بـا اسـت ي در جهـت برشـ مـاده يتف سـ شيافزا ي دهنده

ــزا ــياف ــدول برش ــه يش م ــسبت ب ــزا ن ــسر حجمــشياف ي ک

دم عـ ليـ به دل يدر مواد مرکب سنت . ه مطابق است نندک تيتقو

ـ و تقو نـه يانطباق زم بـه نـه ي از زم ي بـه خـوب تـنش هکننـد تي

فـصل بـود خـواص اما بـا به کند، ي نم دايکننده انتقال پ تيتقو

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 8: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

١٣٩٢ پاييز ،٢ة ، شمار۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي ٥٠

هاي با مدلسازي مولکولي شبيهتخمين زده شده توسط االستيکمدول مقايسه ي -٧ شکل

تساي- ميکرومکانيکي فگت، روس و هالپين

بـه صـورت اهـ تيـ نوکامپوزا در ن تنش انتقال دو نيامشترک

ــوثرتر ــيم ــذ ي انجــام م ــ اجــهي در نترد،يپ ــوادني ــواد، م ي م

ـ قابل نيا. هستند ي برش ال تنش انتق تر از لحاظ مستحکم در تي

.شود استفاده مي باالي برشاستحکام با يکاربردها

يبـرا يترمودينـاميک تي محـدود کيـ يبررس به دامهدر ا

بر اساس ۱۷ همسانگرد غير يثوابت االستيک مواد در حالت کل

صـحت يايـن بررسـ . ]۳۱ [ميپـرداز ي کرنش م ي انرژ فيتعر

ابت االسـتيک بـه دسـت آمـده را ثو ينتايج به دست آمده برا

ريـ به صـورت ز توان يمرا ي کرنش يانرژرابطه . دهد ينشان م

:نوشت

)۱۰( jiijjiijijij σσS21εεC

21εσ

21U ===

بايـست ي مـ ،ميک مواد االستيک ترمودينا بر اساس اصول اوليه

باشـد، مثبت ي در هر حالت بارگذار ماده ي کرنش يمقدار انرژ

ي کرنـش يانـرژ که حالـت يا به گونه، U ≥ 0رت ديگر به عبا

نيـ ا. مي کرنش نداشته باش اي که تنش افتد ي اتفاق م ي وقت ،صفر

يسـفت و (Sij)يعکس سـفت يها سي که ماتر کند يم ناي ب جهينت

(Cij) ۳۲ [هـا سيمـاتر نظريـه از . ]۳۱ [ باشند نيع مثبت م ديبا [

، است نيعت م مثب ،سي ماتر کي در صورتي نشان داد توان يم

کـه نيبا توجه به ا . مثبت باشد آن ي قطر اصل ي رو هلفؤ م هر که

و C11 = C22 = C33 اسـت ي مکعبکيپوترونمونه مدل شده ارت

C44 = C55 = C66،و )۶(شـکل نمـودار بـا دقـت در ني بنابر ا

سي که مـاتر ميريگ ي م جهينت C44 و C11 مثبت بودن ي مشاهده

. استني مثبت معيسفت

ـ گ معکوس پس از س ي مـاتر يهـا لفـه ؤم ي و محاسـبه يري

ــν وE ،Gبــت اوث، يعکــس ســفت ــا يــنو کامپوزا نــيراب ت ب

) ۷(شـکل . انـد به دست آمده هکنند تي مختلف تقو يها صدرد

ديناميـک يسـاز هي حاصل از شب االستيکمدول نتايج محاسبه

و روس، فگـت يهـا مدل از ي نتايج ناش را به همراه يمولکول

نتـايج سه يـ مقا. دهـد يم مايشک نمودار ن يدر ي تسا -هالپين

ر،ا در ايـن نمـود ي مولکـول يساز و نتايج شبيه يسه مدل سنت

يسـاز را در انجـام شـبيه ت يـ کامپوزنانو ي بهبود خواص ماده

سه در واقـع يـ ن مقا يـ ا. دهد ي نشان م ي سنت يها نسبت به مدل

.سـت ا ي سـنت يهـا تيکامپوزت و يزومپانو ک ان ن يب يا سهيمقا

تخمـين ثوابـت االسـتيک ي بـرا ۱۸ي االستيک حد يها تحليل

ـ مـواد کامپوز ي براييحد باالفگت مدل دهند که ينشان م ت ي

مرکب چه مواد االستيک و در عمل مدول ]٣٣[زند يتخمين م

حـد يـک و ) مـدل فگـت (حد بـاال يک ن ي ب و چه نانو يسنت

مـشاهده ) ۷( با توجه شکل .رنديگ يقرار م ) مدل روس (ن ييپا

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 9: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

٥١ ١٣٩٢ پاييز ،٢، شمارة ۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي

ي آن با مولکولي و مقايسهسازي از شبيهبا استفادهمدول برشي بيني پيش-٨شکل

هاي ميکرومکانيکي مدل

يساز نانوکامپوزيت حاصل از شبيه االستيک مدول شود که يم

هـر چـه . اسـت تـر فگـت نزديـک مدل ، به يک مولکول يناميد

شتريـ ب نانوکامپوزيـت ه کـل ب SiC کننده تقويت ينسبت حجم

ـ و تقو نـه ي زم شود دارنـد و يشتريـ کننـده سـطح تمـاس ب تي

ـ م ب حکا داشتن اسـت ليبه دل SiC کننده تقويت نـسبت بـه شتري

يفت سـ شي در افـزا يتر مـوثر شتوانـد نقـ ي مـ ومينيآلومزمينه

ي اتمـ لي پتانـس نيهمچنـ . داشته باشـد نانوکامپوزيت االستيک

در ي نقـش مهمـ ون کاربايـد، م و سيليک وفصل مشترک آلوميني

ـ نايب ـ و تقو نـه ي زم ني ارتبـاط ب ـ کننـده دار تي از اينجـا در (د ن

)۷(شـکل همچنين نتايج .)شده است استفاده Morse ليپتانس

نسبت به ساير را ي تسا -نيهالپ مدل يري و انعطاف پذ يبرتر

به عبارت ديگر با تغيير ضرايب مدل .دهد ينشان م ها نيز مدل

يساز توانيم نتايج اين مدل را به نتايج شبيه ي م ي تسا -هالپين

در ايـن مرحلـه . كنـيم تر نزديک ي آزمايشگاه يويا نتايج واقع

تخمـين مـدول االسـتيک بـه ي بـرا يک مولکـول يـ ناميمدل د

:ر به دست آمده استيصورت ز

)۱۱( 73.142.108xE +=

x کننده است تيوق تيدرصد حجم.

ن يمچنـ و ه يسـاز هيشـب ازحاصل يمدول برش) ۸(شکل

.دهــد يسه نــشان مــيــمقابــراي موجــود را ي ســنتيهــا مــدل

مـدل شـود ي مـشاهده مـ )۸(شـکل گونه که در نمـودار همان

تـر نزديـک ي ديناميک مولکول يمدل شبيه ساز فگت، به نتايج

ک يـ ناميدامـه مـدل د در ا . کننـد ياست و يکديگر را تاييـد مـ

به Al-SiCت ي نانوکامپوز ي مدول برش ينيب شي پ ي برا يمولکول

:ان شده استير بيصورت ز

)۱۲( 33.191.777xG +=

x کننده است تيوق تيدرصد حجم.

حاصـل از ب پواسونيضر نتايج محاسبه)۹(شکل نمودار

ي برا )روس (ين مدل سنت يمچنه. دهد ي را نشان م يساز هيشب

. نشان داده شده اسـت ) ۹(در شكل ب پواسون يضر ينيب شيپ

عکـس ، مـدل يمولکـول ديناميك يه ساز ي از شب حاصلج يانت

ب پواسـون ي ضر ينيب شيپ ي را برا )مدل روس (قانون اختالط

رينظـ يها مدل ييانادم تو ع ي ه نشان دهند نيا .دنکن يد م ييات

. سـت ها تيـ زومپان نانو ک وسوا پ بي ضر تخمين يموجود برا

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 10: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

١٣٩٢ پاييز ،٢ة ، شمار۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي ٥٢

ي آن مولکولي و مقايسهسازي از شبيهبا استفاده بيني ضريب پواسون پيش-٩ شکل

هاي ميکرومکانيکي با مدل

ي مـاده يبـرا ] ۳۴[ه و همکـارانش يهـس نکته در کـار نيبه ا

ي ابطـه با توجه به ر .اشاره شده است ز ي ن Al2O3-NiAlمرکب

کيپوترو که نمونه مدل شده ارت نيبا توجه به ا ن يهمچنو ) ۶(

:مي دار استيمکعب

)۱۳( 1/GSSS1/ESSS

665544

332211

======

Gو E به مثبت بـودن )۸(و ) ۷ (يها شکلنمودار با دقت در

يعکس سفت سي که ماتر ميريگ ي م جهي نت نيبنابرا. ميبر ي م يپ

ي مثبت بودن انرژي يعن(U ≥ 0)شرط و استنيمثبت معز ين

.كند ي را ارضا ميکرنش

يي نهايريگ جهينت -٥

ي برا ي ديناميک مولکول يساز روش شبيه ق از ياين تحق در

ــين ــتيک تعي ــواص االس ــانو خ ــکامپوز ن ــهيزم تي ــز ن يفل

Al-SiC بـدين . شد استفاده کننده تيتقو مختلف يدرصدها با

يبــرا LAMMPS مــتن بــاز ي نــرم افــزاري از بــستهنظــور، م

يهـا اتـم ي بـرا EAM لياز پتانـس . شـد اسـتفاده يسـاز شبيه

و Al-Si و Al-C يها اتم ي برا Morse و از پتانسيل وم،ينيآلوم

استفاده Si-Si و C-C ،Si-C يها اتم ي برا Tersoff لياز پتانس

مپوزيـت شـامل هر کدام از سه ثابت االستيک نانوکا يبرا .شد

و ضريب پواسـون سـه مـدل از يمدول االستيک، مدول برش

جي به دسـت آمـد کـه نتـا ي ديناميک مولکول يساز طريق شبيه

ايـن خـواص بـه روش يبينـ ها نشان دادنـد کـه پـيش تحليل

ــول ــا روشيديناميـــک مولکـ ــسه بـ ــا در مقايـ ــنتيهـ ي سـ

تـر کيـ نزد فگت يسنت نتايج حاصل از مدل به يميکرومکانيک

. ندهست

نامه واژه

1. voigt model 2. reuss model

3. halpin- tsai model 4. carborundum

5. moissanite 6. interface

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 11: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

٥٣ ١٣٩٢ پاييز ،٢، شمارة ۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي

7. embedded−atom method 8. large-scale atomic /molecular

massively parallel simulator (LAMMPS)

9. representative volume element (RVE)

10. intensive property 11. potential energy 12. defect free 13. elastic stiffness matrix 14. elastic compliance matrix 15. orthotropic

16. cubic orthotropic 17. anisotropic 18. bounding elastic analysis

مراجع

1. Prabhu, B., Suryanarayana, C., An L., and Vaidyanathan, R., “Synthesis and Characterization of High Volume Fraction Al–Al2O3 Nanocomposite Powders by High-Energy Milling,” Materials Science and Engineering: A, Vol. 425, pp. 192-200, 2006.

2. Khakbiz, M. , and Akhlaghi, F., “Synthesis and Structural Characterization of Al–B4C Nano-Composite Powders by Mechanical Alloying,” Journal of Alloys and Compounds, Vol. 479, pp. 334-341, 2009.

3. Khadem, S.A., Nategh, S., and Yoozbashizadeh, H. , “Structural and Morphological Evaluation of Al–5 vol.%SiC Nanocomposite Powder Produced by Mechanical Milling,” Journal of Alloys and Compounds, Vol. 509, pp. 2221-2226, 2011.

4. Everett, R.K., and Arsenault, R.J.; Metal Matrix Composites: Mechanisms and properties, Academic Press, 1991.

5. Christman, T., Needleman, A., Nutt, S., and Suresh, S., “On Microstructural Evolution and Micromechanical Modeling of Deformation of a Whisker Reinforced Metal Matrix Composite,” Materials Science and Engineering: A, Vol. 107, pp. 49-61, 1989.

6. Zhu, R., Pan, E., and Roy, A.K., “Molecular Dynamics Study of the Stress-Strain Behavior of Carbonnanotube Reinforced Epon 862 Composites”, Materials Science and Engineering: A, Vol. 447, pp. 51-57, 2007.

7. Sun, X., and Zhao, W., “Prediction of Stiffness and Strength of Single-Walled Carbon Nanotubes by Molecular-Mechanics Based Finite Element Approach”, Materials Science and Engineering: A, Vol. 390, pp. 366-71, 2005.

8. Scarpa, F., Adhikari, S., and Phani, A.S., “Effective Elastic Mechanical Properties of Single Layer Grapheme Sheets”, Nanotechnology, Vol. 20, p. 065709, 2009.

9. Cho, J., Luo, J.J., and Danial, I.M., “Mechanical Characterization of Graphite/Epoxy Nanocomposites by Multi-Scale Analysis,” Composite Science and Technology, Vol. 67, pp. 2399-2407, 2007.

10. Ward, D. K., Curtin, W. A., and Qi, Y., “Mechanical Behavior of Aluminum–Silicon Nanocomposites: A Molecular Dynamics Study,” Acta Materialia, Vol. 54, pp. 4441-4451, 2006.

11. Sen, T.Z., Sharaf, M.A., Mark, J.E., and Kloczkowski, A., “Modeling the Elastomeric

Properties of Stereoregular Polypropylenes in Nanocomposites with Spherical Fillers,” Polymer, Vol. 46, pp. 7301-7308, 2005.

12. Alder, B.J., and Wainwright, T.E.J., “Phase Transition for a Hard Sphere System,” Journal of Chemical Physics, Vol. 27, pp. 1208-1209, 1957.

13. Alder, B.J., and Wainwright, T.E.J., “Studies in Molecular Dynamics. I. General Method,” Journal of Chemical Physics, Vol. 31, pp. 459-466, 1959.

14. Rahman, A., “Correlations in the Motion of Atoms in Liquid Argon,” Physical Review, Vol. 136, pp. A405-A411, 1964.

15. Stillinger, F.H., Rahman, and A., “Improved Simulation of Liquid Water by Molecular Dynamics,” The Journal of Chemical Physics, Vol. 60, pp. 1545-1557, 1974.

16. Rafii-Tabar, H., “Modelling the Nano-Scale Phenomena in Condensed Matter Physics Via Computer-based Numerical Simulations,” Physics Reports, Vol. 325, pp. 239-310, 2000.

17. http://www.handbookofmineralogy.Org/Pdfs/Aluminium.pdf

18. http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_carbide 19. Rebecca, C., Silicon Carbide Microelectromechanical

Systems for Harsh Environments, Imperial College Press. 2006.

20. Properties of Silicon Carbide (SiC), http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC/.

21. Mueller, M.R., Fundamentals of Quantum Chemistry: Molecular Spectroscopy and Modern Electronic Structure Computations, Kluwer Academic/Plenum Publisher, 2001.

22. La Paglia S.R., Introductory Quantum Chemistry,. Harper and Row Publishers, New York, 1971.

23. Ratner, M.A., Schatz, G.C., Introduction to Quantum Mechanics in Chemistry. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2001.

24. Mishin, Y., Farkas, D. , Mehl, M.J., and apaconstantopoulos, D.A., “Interatomic Potentials for Monoatomic Metals from Experimental Data and ab Initio Calculations,” Physical Review. Vol. B 59, pp. 3393,1999.

25. Tersoff, J., “New Empirical Approach for the Structure and Energy of Covalent Systems,” Physical Review B, Vol. 37, pp. 6991-7000, 1988.

26. Cornwell, C.F., and Wille L.T., “Elastic Properties of Single-Walled Carbon Nanotubes in Compression,” Solid State Communication, Vol. 101, pp. 555–558,

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0

Page 12: Z] Al-SiC b ¿{º ¯Z) º³Z³ (Àd ÇY Yºs ½ {Z ¶À^ · ÑÒ ÎÐÖÏ |À¿Z Ï _yZ° èç ©Z ¾ v´¸¯ yu ¶d z À uYº¯ Al/SiC b¿{º ¯Z)º³Z³ ½Y|kY Yºs {Y ¾sz] -æ

١٣٩٢ پاييز ،٢، شمارة ۳۲، سال مواد پيشرفته در مهندسي ٥٤

1997. 27. http://lammps.sandia.gov/ 28. Dieter, G.E., Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill

book Company, 1988. 29. Boresi, A.P., Schmidt, R.J., and Sidebottom, O.M.,

Advanced Mechanics of Materials, Wiley, 1993. سـازي خـواص مكـانيكي سازي و بهينـه شبيه".، ر اعيلياسم .٣٠

ــا اســتفاده از الگــوريتم نانوكامپوزيــت " هــاي تكــاملي هــا ب

نامه كارشناسي ارشد، دانشگاه بيرجند، بيرجند، ايـران، پايان

١٣٩٠.

31. Sadd, M.H., Elasticity: Theory, applications, and Numerics,. 2nd ed. Malden, MA: Academic Press, 2009.

32. Ting, T.C.T., “Positive Definiteness of Anisotropic Elastic Constants,” Mathimatics and Mechanics of Solids, Vol. 1, pp. 301-314, 1996b.

33. Jones, R.M., Mechanics of Camposite Materials, Taylor and Francis, 1999.

34. Hsieh, C.L., Tuan, and W.H., Wu, T.T., “Elastic Behaviour of a Model Two-Phase Material,” Journal of the European Ceramic Society, Vol. 24, pp. 3789-3793, 2004.

Dow

nloa

ded

from

jam

e.iu

t.ac.

ir at

0:2

9 IR

DT

on

Sun

day

June

21s

t 202

0


Recommended