Molecular dynamics simulations of carbon-aluminum nanocomposites

Nanobilim ve nanoteknolojinin gelismesiyle birlikte mükemmel özelliklere sahip birçok nanomalzeme ve nanokompozitler bulunmustur. Bu nanomalzemeler sıradı¸sı özellikleri ile bilime birçok ara¸stırma konusu saglamıstır. Nanomalzemelerin en gözde türleri karbon nanomalzemelerden olan fulleren, nanotüp ve grafendir. Bu karbon nanoyapıların kendileri ve diger malzemelerle olan kompozitleri birçok ara¸stırmacının ilgilisi çekmektedir. Büyük ilginin baslıca sebebi bu malzemelerin özellikleri olsa da, diger sebepleri arasında uygulama alanlarının çesitliligi ve bulunan yapıların geli¸stirilmesini saglayacak potansiyellerinin bulunması sayılabilir. Bu yüzden bu malzemelerin özelliklerinin ve davranıslarının deneylerle ve simülasyon metodları kullanılarak belirlenmesi son derece önemlidir. Bu tezde karbon nanomalzemeler içeren iki farklı nanokompozit incelenmistir. Bu nanoyapılardan ilki grafen ile kaplanmıs alüminyum tabakası iken, ikincisi alüminyum, fulleren ve grafen içeren sandviç yapıdır. Ilk model olan kaplanmıs alüminyum tabakası, 20nm x 20nm genisliginde ve 10nm kalınlıgında bir alüminyum tabakasının üst yüzeyine aynı genislikte bir grafen tabakası yerlestirilerek olusturulmustur. Ikinci model olan alüminyum, fulleren ve grafen içeren sandviç yapının olu¸sturulması ise iki kısımlıdır. Öncelikle iki tane grafen tabakasının arasına fullerenler rastgele yerlestirilmi¸stir. Daha sonra olu¸san bu yapının serbest grafen yüzeyleri 2nm kalınlıgındaki alüminyum tabakaları ile kaplanmıstır. Sandviç yapının genisligi 10nm x 10nm'dir. Yapıların özelliklerinin ve davranıslarının belirlenmesi için moleküler dinamik simülasyonlarından faydalanılmı¸stır. Simülasyonlarda kosul toplulukları, sınır kosulları ve atomlar arası potansiyeller uygun sekilde belirlendikten sonra, çekme ve basma olarak farklı yüklemeler yapılara uygulanmıstır. Ayrıca yapının yükleme durumu altındayken bozulması sırasındaki davranısı da analizler ile incelenmi¸stir. Bahsedilen analizlerde yapıların kafes sistemleri ve atomların dizilimleri incelenerek yapının elastik davranısının ne zaman bittigi, plastik davranı¸sının ne zaman basladıgı, yük tasıma esnasında malzemede olu¸san mekanizmalar, malzemenin kopma sınırı ve kopma sekli hakkında ayrıntılıbilgi edinilebilir. Bu yüzden, bu analizler yapının özelliklerini yorumlamak ve detaylı bir arastırma için büyük öneme sahiptir. Ilk olarak, grafen kaplı alüminyum modelinin çekme davranısı incelenmistir. Modelin boyutlarını belirlemek için farklı yüzey alanlarına ve kalınlıklara sahip farklı modeller ile çekme analizi yapılmı¸stır. Bu analizlerin sonuçlarının yakınsama durumuna göre modelin boyutları seçilmistir. Modelin boyutları belirlendikten sonra sınır sartları modele uygulanmıstır. Simülasyon kutusu kaplama alanı yönünde periyodik iken kalınlık yönünde periyodik degildir. Ek olarak sıcaklık 0 K olarak belirlenmis ve böylece simülasyon statik ko¸sullara yakla¸stırılmı¸stır. Simülasyonda çekme yükü olarak 0,001 ps-1 birim sekil degistirme oranı verilmi¸stir. Bu yük de˘geri literatürde birçok simülasyonda kullanılmıs olup ve yapının özelliklerinin incelenmesi için uygun bir degerdir. Analiz sonuçlarına göre grafen kaplanmıs alüminyumun elastiklik modulü alüminyumla karsılastırıldıgında %77,5 daha fazladır. Ayrıca, maksimum çekme dayanımı da yaklasık %200 artıs göstermistir. Ancak alüminyumun aksine kaplanmıs yapıda çekme esnasında sertlesme ve yumusama davranısları gözlemlenmistir. Bu davranıslar grafenin yüksek dayanım özelliginden ve çekme esnasındaki davranısından kaynaklanmaktadır. Grafenin bu özelligi malzemenin daha geç kopmasında da rol oynamaktadır. Çekme esnasındaki davranı¸sın yanısıra nanomalzemenin bozulma davranısı da yapının tam olarak anla¸sılması için incelenmistir. Bu inceleme sonucunda yapıda öncelikle "Hexagonal Close-Packed" denilen yapılardan kaynaklı kayma düzlemlerinin olustugu gözlemlenmistir. Bu yapılar aracılıgıyla atomlar birbiri üzerinde kayarak malzemenin bozulmasına sebep olmaktadırlar. Ancak grafenin yüksek dayanım özelligi kendine yakın olan alüminyum atomlarında "Amorph" adı verilen yapının olu¸smasına sebep olmaktadır. "Amorph" yapı kayma düzlemlerine dogru ilerleyerek tüm nanoyapıya yayılmakta ve sekil degisimine karsı yüksek direnis göstermektedir. Bundan dolayı grafen kaplı alüminyumun dayanımı kaplamasız alüminyumdan çok daha fazladır. Bu farkın olu¸smasında elbette grafenin etkisi büyüktür ancak uygulanan dü¸sük sıcaklık da "Amorph" yapıyı olu¸sturan etkenler arasındadır. ˙Ikinci olarak, alüminyum, fulleren ve grafenden olusan sandviç yapının çekme ve basma esnasındaki davranı¸sı incelenmi¸stir. Ayrıntılı ¸sekilde davranı¸sı incelemek ve fulleren çe¸sidinin yapı üzerindeki etkisini ara¸stırmak için farklı tür fullerenler (C60, C80, C180, C2400 ve C3200) kullanılarak analizler yinelenmistir. Analizde simülasyon kutusu her yönde periyodik olarak ayarlanmı¸stır. Fullerenlerin grafen katmanlarına baglantısını olusturmak için baglantı kısımlarına yüksek sıcaklık uygulanarak kaynak islemi yapılmı¸stır. Kaynak sonrası oda sıcaklı˘gı ko¸sulları tüm modele uygulanmı¸stır. Simülasyonda yüklerin hızları (0,5, 0,3, 0,1, 0,05 ve 0,005 ps-1) da degistirilerek yüklemenin yapı üzerinde etkisi de gözlemlenmi¸stir. Basma simülasyonu sonucunda maksimum gerilme C60 modelinde gözlemlenmi¸stir ve de˘geri 175 GPa'dır. Minimum gerilme ise C320 modelindedir ve de˘geri 85 GPa'dır. Maximum ve minimum de˘gerler modellerin birim ¸sekil de˘gi¸stirmesi 0,5 iken alınmı¸s gerilme degerleridir. Basma esnasında görülen bu farklı de˘gerler yapıların homojenliginden kaynaklanmaktadır. Modeller olu¸sturulurken fulleren yapılarındaki toplam karbon atom sayısı sabit tutulmu¸stur. Bu nedenle fulleren çapı büyüdükçe modeldeki fulleren sayısı azalmaktadır. Bu da en homojen yapının C60 modelinde elde edilmesini saglamaktadır. Basma esnasında yapı atom sayısı sabit kalırken hacim azaldıgı için yapı yogunlasmaya baslar. Yogunlasma islemi sırasında yapının homojenli˘gi büyük öneme sahiptir. Bunlara ek olarak yüklerin hızlarının de˘gi¸siminin yapıya etkisi de incelenmi¸s ve yükün hızının artması ile sertle¸sme ve yumu¸sama davranı¸sları gözlemlenmeye baslamıstır. Yüksek hızdaki yüklemelerde yapının dengeye gelmesi için yeterli zamanı bulamaması yapıdaki bozulma mekanizmalarını degistirmistir ve bu da bahsedilen setlesme ve yumusama davranıslarının gözlenmesine sebep olmustur. Ayrıca, yapının homojenli˘gi azaldıkça yükün hızı yapının davranı¸sında daha etkili olmaktadır. Yapının bozulma davranısında "Amorph" yapısı baskın olmasına ragmen "Body-Centered Cubic" yapısının oranının da birim sekil degisimi 0,5'e yaklastıkça arttı˘gı daha sonra ise bunun "Hexagonal Close-Packed" formuna dönüstügü gözlemlenmistir. Yükleme hızına baglı olarak daki "Face-Centered Cubic" kafes sistemlerinin "Amorph" yapısına dönüsme sekli ve hızı da de˘gi¸smektedir. Çekme simülasyonu sonucunda maksimum gerilme basmada oldu˘gu gibi C60 modelinde gözlemlenmistir ve degeri 4,8 GPa'dır. Aynı sekilde minimum gerilme ise C320 modelindedir ve degeri 2,5 GPa'dır. Bu fark yine basmada oldugu gibi yapıların homojenliklerinden kaynaklıdır. Yüklerin hızlarının etkisi de yine incelenmis ve sonucunda sertlesme ve yumusama davranısları gözlenmistir. Ancak çekme esnasında bu davranıslar sadece belirli bir yük hızı aralıgında gözlemlenmistir. Bu aralıgın üstü ve altı için herhangi bir sertlesme ve yumusama davranısı söz konusu degildir. Ek olarak uygulanan yükün etkisi modeldeki fulleren çapı büyüdükçe daha etkin bir hal almaktadır. Çekme esnasında basmada da oldugu gibi gerilme birikmesi fulleren ve grafenlerde gözlemlenmektedir. Ancak buradaki fark çekme esnasında fulleren ile grafen arasındaki bagların kopmaya ba¸slamasıdır. Bagların kopma oranı önceden belirtilmis olan yük aralıgında ani bir sekilde olurken diger yük hızlarında daha düzenli bir sekilde gerçeklesmektedir. Bunu sebebi yüklemenin hızına ba˘glı olarak yapının "Amorph" yapıya dönüsmesidir. Yüksek hızlarda bu dönüsüm hızlı bir sekilde gerçekle¸smektedir. Düsük hızda ise yapı dengeye ulasmak için yeterli zamanı bulabildigi için daha dengelidir. Ancak bu yükleme hızları arasındaki bir yüklemede yapı dengeli bir halden ve "Amorph" yapısına geçis arasında kararsız bir konumdadır. Bu durum da yapıdaki yumusama ve sertlesme davranısına ayrıca fulleren ve grafen baglarının ani bir sekilde kopup tekrar olusmasına sebep olmaktadır. Yapının kopma davranısı esnasında baskın yapı "Amorph" yapıdır. Ancak düsük hızlarda "Body-Centered Cubic" yapısı da gözlenmektedir. Yapının kopması fullerenlerin alt veya üst kısmında yer alan grafene baglı olamayan alüminyum atomlarından baslayıp kaplama yüzeyi yönünde ilerleyerek gerçeklesmektedir.