Grafen ile güçlendirilmiş alüminyum nano kompozitlerin mekanik davranışının araştırılması

Grafen, karbon atomlarının altıgen yapıda bir latis dizilimiyle oluşan, bir atom kalınlığında 2-boyutlu bir malzemedir. Manchester Üniversitesi akademisyenleri Andrei Geim ve Konstantin Novoselov, küçük bir grafit parça ve basit bir bant kullandıkları çalışmalarında "serbest halde durabilen" ilk defa grafen tabakasını sentezlemeyi başararak 2010 yılı Nobel Fizik Ödülünü almaya hak kazandılar. Özellikle bu yıldan itibaren gerek endüstriyel gerekse bilimsel çalışmaların sayısı dramatik bir şekilde artmıştır. Karbon atomları doğada elmas ve grafit halinde mevcuttur. Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle yapay allotropları; karbon nanotüp, fulleren ve son olarak grafen üretilebilmektedir. Grafen formundaki atomların kendine özgü konfigürasyonu, grafenin çok yönlü ve muazzam özelliklere sahip olmasını sağlamıştır. Yüksek ısı ve elektrik iletkenliği, esnekliği, şeffaflığı ve yüksek mukavemetli olması bilinen en önemli özellikleridir. Bu sebeple bilim insanları tarafından "geleceğin malzemesi", "mucize malzeme" şeklinde anılmaktadır. Grafen uygulamaları ile ilgili şimdiden alınmış 25,000 üzerinde patent, gelecekte grafenin önemli bir değişimin yapı taşı olacağının habercisidir. Sahip olduğu çok yönlü özellikleri sayesinde, kapasitesi yüksek ve çok hızlı bir şekilde şarj edilebilen batarya teknolojisi, şeffaf ve ince ekranlar, çok yüksek performanslı işlemciler, insanın hareket kabiliyetini kısıtlamayan health-monitoring (insan sağlığı ile ilgili bazı parametrelerin takip edildiği) sistemler, kuantum bilgisayarlardaki yüksek kapasiteli işlemcilerin soğutma sistemleri, termal konforu sağlayan spor kıyafetleri vb. gibi birçok konuda ilerlemenin temel parametresi grafen olacaktır. Bu tezde, grafenin yüksek mukavemet özellikleri ve düşük yoğunluğundan hareketle üretilebilecek grafen ile güçlendirilmiş nanokompozitlerin mekanik özellikleri üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Literatürde grafenin mekanik özelliklerinin araştırılması konusunda yapılmış kayda değer sayıda çalışma mevcuttur. Bu çalışmalarda kullanılan temel metotlar; fiziksel testler, moleküler dinamik simülasyonlar (MDS) ve çok-ölçekli sonlu elemanlar (SE) analizleridir. Grafenin mekanik özelliklerinin incelenmesinde, nano ölçekteki boyutları sebebiyle fiziksel testlerin gerçekleştirilmesi zahmetli ve pahalı olmaktadır. Büyük ölçekten küçük ölçeğe (sürekli ortamdan nano skalaya) doğru gidildikçe yeni incelenen olguyu etkileyen yeni fenomenler ortaya çıkmaktadır. Bütün bu fenomenlerin tespiti, incelenen olguya etkisi ve kurulacak olan teste doğru yansıtılması gibi konular, kontrollü deney çalışmalarını neredeyse imkânsız hale getirmektedir. Bu noktada bilgisayar simülasyonları önem kazanmaktadır. Bilgisayar teknolojisinin geldiği nokta itibariyle, neredeyse tüm zaman ve boyut ölçeklerinde fiziksel problemler için model kurmak ve çözüme ulaşmak mümkündür. Bu tezde, moleküler dinamik simülasyonlar ve çok-ölçekli sonlu elemanlar analizleri kullanılarak grafenle güçlendirilmiş Al nano kompozitlerin mekanik davranışları incelenmiştir. Her iki yöntemde de analizler iki seviyede gerçekleştirilmiştir. İlk seviye analizlerde Tek katmanlı grafen tabakası (TKGT) ele alınmış ve çekme simülasyonu gerçekleştirilerek TKGT'nin mekanik özellikleri (Young modülü ve Poisson oranı) tespit edilmiştir. Elde edilen mekanik özellikler, literatürdeki benzer çalışmaların sonuçları ile karşılaştırılmış ve ilk seviye analizler için doğrulama çalışması gerçekleştirilmiştir. İkinci seviye analizlerde ise temsili hacim eleman (THE) oluşturulmuştur. Temsili hacim elemanı; yapının ilgili uzay-zaman ölçeğindeki incelenen olguya etki eden fenomenlerin yansıtıldığı ve bazı kabuller altında kendinden çok büyük ölçekteki malzeme karakterini / mekanik özelliklerini temsil edebilecek nitelikte olan matematiksel modeldir. Bu çalışmada nano mertebedeki mekanik davranış incelendiği için, ilgili skaladaki fiziksel fenomenleri de içeren sürekli ortam modelini oluşturmak çok yüksek hesaplama maliyeti gerektireceği için THE modeli kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir. İlk seviye analizlerde doğrulanan modele, alüminyum matris eklenmiş ve belirlenen bir ara yüz matematiksel modeli ile TKGT ve matris belirli bir hacim fraksiyonunda birleştirilmiştir. Çok-ölçekli sonlu elemanlar analizlerinde, moleküler ve sürekli ortam arasındaki bağlantı sonlu elemanlar metodu kullanılarak oluşturulmuştur. İlk seviye SE analizlerinde; grafen, kovalent bağı temsil eden eşdeğer Euler Bernoulli (EB) kiriş elemanlar kullanılarak modellenmiş ve yapıya tek yönlü çekme yükü uygulanmıştır. Grafenin armchair ve zigzag yönleri için Young Modülü ve Poisson Oranı elde edilmiştir. Ayrıca grafen boyutunun, elastik parametrelerine etkisini incelemek için farklı boyutlarda grafen için parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. İkinci seviye analizlerde, grafen ile güçlendirilmiş Al nanokompoziti temsil eden ve hacim fraksiyonu 0.068 olan bir THE incelenmiştir. Al sürekli ortam olarak, hexahedral katı elemanlar kullanılarak, TKGT eşdeğer kiriş elemanlar kullanarak modellenmiştir. Moleküler ortam ile sürekli ortam arasındaki yük transferini sağlamak için heterojen ara yüz modeli kullanılmıştır. Bu ara yüzdeki kirişler elemanlara bulundukları konuma göre değişen direngenlik tanımlamaları yapılmıştır. Oluşturulan THE tek eksenli çekme yüklemesine maruz bırakılarak THE'nin Young Modülü elde edilmiştir. Ayrıca, keyfi seçilen bir Al alaşımı ile farklı hacim fraksiyonlarında THE'ler oluşturulmuştur. Doğrusal olmayan SE çözücüsü kullanılarak farklı hacim fraksiyonları için gerilme - gerinim eğrileri elde edilmiştir. Son olarak, çok-ölçekli SE modeli kullanılarak THE'nin farklı mekanik yüklemeler altındaki davranışı ve titreşim davranışı incelenmiştir. MDS, açık kaynak kodlu LAMMPS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. SE metodunda kullanılan aynı analiz sırası izlenerek önce TKGT sonra THE için analizler gerçekleştirilmiştir. TKGT modelinde 1008 C atomu, THE modelinde ise toplam 9120 atom kullanılmıştır. C atomları için AIREBO, Al atomları için EAM ve Al-C arasındaki etkileşim için Lennard-Jonnes potansiyeli tanımlanmıştır. Çekme simülasyonundan önce, yapıda oluşabilecek artık gerilmeleri önlemek için enerji minimizasyonu yapılarak bütün atomların optimum konfigürasyonda dizilimi sağlanmıştır. Ardından THE'nin bir yüzeyindeki atomlar sabit tutularak diğer yüzeyine tedrici olarak yer değiştirme yüklemesi yapılmıştır. Latisteki kopma ve dengesizlik oluşmaması için her adımda 0.1 Å yükleme yapılarak 20 döngüde analiz gerçekleştirilmiştir. Analiz neticesinde hem TKGT'nin hem de THE'nin armchair ve zigzag yönleri için gerilime-gerinim eğrileri elde edilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada MDS ve çok-ölçekli analizler kullanılarak TKGT ve THE'nin mekanik davranışı incelenmiştir. 50x50 Å2 boyutlarındaki Tek katmanlı grafen tabaka için Young modülü, çok-ölçekli SE modelinde; 1.06 TPa, moleküler dinamik simülasyon kullanılarak yapılan çalışmada ise 0.93 TPa olarak hesaplanmıştır. Grafen tabakasının iki doğrultusunda da bu değerler (armchair ve zigzag) birbirine çok yakındır. 0.067 hacim fraksiyonuna sahip TKGT ile güçlendirilmiş Al nanokompozitin Young modülünde, kullanılan saf alüminyuma göre çok ölçekli modelde %87 mertebesinde, MDS analizlerinde ise %55 mertebesinde iyileşme tespit edilmiştir. İki yöntem neticesinde elde edilen sonuçlar kendi içinde tutarlılık arz etmektedir. Ayrıca, analitik çözüm (ROM) yaklaşımı ve literatürdeki benzer çalışmalarda elde edilen sonuçlar ile tutarlı değerler elde edilmiştir. Ayrıca, nanokompozit yapı farklı yükleme tiplerine maruz bırakılarak çekme / basma, eğilme ve burulma rijitliklerindeki değişim incelenmiştir. Saf alüminyum referans alındığında, kompozit malzemenin armchair ve zigzag yönlerinde eksenel çekme / basma rijitliği; yaklaşık %75, eğilme rijitliği yaklaşık %90 oranında artmıştır. Düzlem dışı doğrultudaki iyileşme %3 mertebesinde kalmıştır. Burulma rijitliğinde ise kayda değer bir değişiklik tespit edilmemiştir. Modal analiz neticesinde burulma modunun frekansları aynı kalırken, eğilme modunun frekansları %7 mertebesinde ötelenmiştir. Hesaplama maliyeti açısından incelendiğinde, doğrusal çok ölçekli analizin 5 saniyede, doğrusal olmayan çok ölçekli analizin 10 dakikada ve moleküler dinamik simülasyonun 207 dakikada tamamlandığı tespit edilmiştir. Bu tezde gerçekleştirilen çalışmalar neticesinde, Al matrisin ortasına yerleştirilen TKGT sayesinde, mekanik özelliklerinde saf aluminyuma nazaran muazzam bir yükselme tespit edilmiştir. Ayrıca hesaplama maliyeti açısından, çok ölçekli sonlu elemanlar analizinin moleküler dinamik simülasyona nazaran 20 kat daha etkili olduğu tespit edilmiştir.