شبیه سازی دینامیک مولکولی تست کشش نانوسیم سیلیسیمی

در این پژوهش به بررسی رفتار مکانیکی نانوسیم های سیلیسیمی تحت بارگذاری کششی پرداخته شده است. شبیه سازی ها با استفاده از نرم افزار LAMMPS و تحلیل ساختاری با OVITO انجام گرفته است. هدف اصلی این پژوهش بررسی تاثیر دما، نرخ کرنش و قطر نانوسیم بر ویژگی های مکانیکی به ویژه مدول یانگ و رفتار شکست است. در پژوهش Xu همکاران مبانی روش مورد استفاده بیان شده است. لازم به ذکر است که در این پژوهش ساختار سیلیسیم از نوع الماسی مکعبی با پارامتر شبکه ۵/۴۳۱ Å و پیوندهای کووالانسی شبیه سازی شده است. دو دمای ۱۰۰ و ۱۰۰۰ کلوین و دو نرخ کرنش ۱۰^۸ - برای نمونه هایی با قطرهای ۲ تا ۷ نانومتر در نظر گرفته شده است همچنین توزیع سرعت اولیه بر اساس توزیع گاوسی تعریف و با ترموستات Langevin پایدارسازی دمایی انجام شده است. در نهایت سپس بارگذاری تک محوره تا ۲۰% کرنش اعمال و پس از آن مرحله استراحت اجرا گردیده است [۱]. در بخش مدل سازی فعلی پژوهشگران با هدف کاهش هزینه محاسباتی، تنها سه نمونه با نسبت قطر به طول ۱۶ و دماهای ۱۰۰ و ۱۰۰۰ کلوین را انتخاب کردند. برخلاف پژوهش Xu در پژوهش حاضر، سه نوع ساختار بلوری موجود در سیلیسیم از جمله فازهای با همسایگی نوع ۱ و ۲ شناسایی شده است. در این پژوهش حاضر با OVITO نشان داده شد که افزایش قطر نانوسیم منجر به افزایش درصد فاز الماسی مکعبی در حجم نمونه شد و این موضوع شرایط را برای پایداری ساختار با افزایش ابعاد فراهم کرده است [۱]. فرایند شبیه سازی شامل دو مرحله است. در مرحله اول به اتم ها سرعت اولیه ای با توزیع گاوسی داده شد و با ترموستات NVT که دما را ثابت نگه می دارد به همراه ترموستات هوور برای اعمال استراحت اولیه استفاده شد، این کار به منظور تنظیم دمای سیستم و حذف تنش های اولیه انجام گرفت تا سیستم به حالت تعادل برسد. در مرحله دوم کشش تک محوری در راستای محور x با شرایط مرزی تناوبی در جهات y و z و گام زمانی بسته به قطر نمونه اعمال شد. در نهایت نرخ کرنش اعمالی ۱۰^۸ - بدست آمد و در هر نمونه تا حدود ۲۰% کرنش اتفاق افتاد. در مرحله بعدی داده های تنش کرنش بررسی و مدول یانگ محاسبه گردید. نتایج نشان می دهد که شکست نمونه ها در دمای پایین تر (۱۰۰ K) رفتار تردتری از خود نشان داده و در دمای بالاتر (۱۰۰۰ K) به صورت نرم و چکش خوار خواهد بود. همچنین افزایش قطر منجر به افزایش مدول یانگ و تاخیر در آغاز شکست شد که بیانگر تاثیر مقیاس بر سختی ماده است. در این پژوهش نسبت به کار قبلی نمودارهای تنش کرنش کاهش یافته و طول نمونه انتخاب گام زمانی کوچکتر را نشان داده است که موجب افزایش همواری منحنی ها و بهبود دقت نتایج شده است [۱]. تحلیل تفاوت ها میان این پژوهش و مطالعات قبلی حاکی از آن است که استفاده از زمان استراحت کوتاه تر و مدل شامل چند ساختار بلوری است که سبب تفاوت جزئی در نتایج به ویژه در دمای بالا شده است. همچنین گام زمانی کوچکتر ۱ fs موجب ثبت دقیق تر نوسانات تنشی شده است. لازم به ذکر است که از دید فیزیکی جرم مولی پایین سیلیسیم در مقایسه با فلزاتی چون سرب یا نیکل باعث شد شبیه سازی آن به گام زمانی و شرایط استراحت حساس تر باشد.

کلیدواژه ها:

دینامیک مولکولی ، نانوسیم سیلیسیمی ، تحلیل ساختاری ، بارگذاری کششی