محاسبه چقرمگي شكست در گرافن با بكارگيري ديناميك مولكولي و معيار گريفيث

Fracture Toughness of Graphene Using Molecular Dynamic Simulation and Griffith Criterion

گرافن به عنوان يك ماده دو بعدي با ساختار شش وجهي كه شامل اتم هاي كربن مي باشد، در صنايع مختلفي از جمله الكترونيك، هوافضا و پزشكي مورد استفاده قرار مي گيرد. اين ماده داراي استحكام مكانيكي بالا بوده و نسبت به فولاد صد ها برابر مستحكم تر مي باشد. هر چند اين استحكام تحت تاثير عوامل مختلفي مثل وجود نابجايي ها، ترك ها و دما ممكن است تغيير كند. شناسايي خواص مكانيكي گرافن در جهت استفاده از اين ماده با قابليت اطمينان بالا در تجهيزات مختلف از اهميت بالايي برخوردار است. در اين ميان چقرمگي شكست كه توانايي مقاومت يك ساختار ترك دار را در برابر شكست بيان مي كند، از پارامترهاي مهم به شمار مي رود. در اين مقاله با بهره گيري از شبيه سازي ديناميك مولكولي تاثير اندازه ترك و همچنين اثر كايراليتي ساختار گرافن در جهت گيريهاي مختلف بر روي چقرمگي شكست مورد ارزيابي قرار گرفته و با معيار شكست ترد گريفيث مقايسه شده است. براي اين منظور گرافن تك لايه به ابعاد nm2 500×500 با اندازه تركهاي بين 3 تا 50 نانومتر و كايراليتيهاي بين صفر درجه (زيگزاگ) تا 30 درجه (آرمچير) با پتانسيل Tersoff شبيه سازي شده و مقاومت شكست آنها بر اساس نمودارهاي تنش بر حسب كرنش بدست مي آيد. نتايج نشان مي دهد در تركهاي با طول بيشتر از 10 نانومتر معيار گريفيث با معيار شبيه سازي مطابقت دارد و براي ترك هاي كوچكتر بيشتر از 20 درصد اختلاف دارد. در اين ميان گرافن زيگزاگ نسبت به گرافن آرمچير از چقرمگي شكست بالاتري برخوردار مي باشد. دليل اين امر بخاطر ساختار انيزوتروپيك گرافن در جهت هاي مختلف است بطوريكه كه در جهت زيگزاگ بيشترين استحكام مكانيكي مشاهده مي شود. در ضمن نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه جهت ترجيحي رشد و انتشار ترك، در راستاي كايراليتي زيگزاگ مي باشد كه اين پديده به پايه معيار شكست هاي محلي اتفاق افتاده در پيوندهاي اتمي كربن-كربن نسبت به معيار انرژي گريفيث قابل توجيه مي باشد. نتايج حاصل از اين شبيه سازي در جهت فراهم آوردن اطلاعات پايه¬اي و اوليه براي استفاده از گرافن با قابليت اطمينان بالا در قطعات الكترونيكي و نانو كامپوزيت ها مي تواند به شمار رود.