عنوان
شبيه‌سازي پديده ذوب نانوسيم‌هاي آلومينيومي با استفاده از روش ميدان فاز بر مبناي مشاهدات ديناميك مولكولي
نويسنده اصلي
ملكوتي‌خواه، معراج
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
چكيده
نانوسيم‌ها با توجه به ابعاد بسيار كوچك خود، خواص متفاوتي را ارائه مي‌دهند. اين خواص منحصر به فرد موجب شده تا اين مواد در حوزه‌هايي مانند الكترونيك، پزشكي، مكانيك و ساير صنايع كاربرد داشته باشند. در اين پژوهش يكي از خواص حرارتي اين مواد يعني دماي ذوب در نانوسيم‌هاي آلومينيومي به كمك روش ميدان فاز مورد بررسي واقع شده است. روش ميدان فاز در قالب رابطه گينزبرگ-لاندا به ارزيابي ناپايداري به وجود آمده در يك سيستم مي‌پردازد. در اين روش، انرژي نانوسيم كه به صورت انرژي آزاد هلمهولتز در نظر گرفته شده و شامل چهار بخش الاستيك، دو چاهي، حرارتي و گراديان مي‌شود، كمينه‌سازي مي‌شود. با توجه به دوفازي بودن فرآيند ذوب و به منظور نشان دادن نوع فاز در هر نقطه و لحظه از زمان، متغيري به نام پارامتر مشخصه تعريف مي‌شود كه مقدار آن براي جامد برابر با يك و براي مذاب برابر با صفر در نظر گرفته مي‌شود و پارامتر مشخصه در صفحه مشترك فازي از يك تا صفر تغيير مي‌كند. هم‌چنين به منظور در نظر گرفتن اثر مكانيك در مسئله بايستي مجموعه روابط الاستيسيته به صورت هم‌زمان با رابطه گينزبرگ-لاندا حل گردد. پياده‌سازي روابط حاكم و شرايط مرزي آن در نرم‌افزار كامسول انجام گرفته است. در شبيه‌سازي‌هاي صورت گرفته از مدل يك‌چهارم و متقارن محوري به منظور كاهش حجم محاسبات بهره برده شده است. شبيه‌سازي‌ها بر اساس در نظر گرفتن اثر مكانيك يا عدم آن در دو دسته كلي مورد بررسي قرار گرفته‌اند. در مدل ميدان فاز خالص، يك مدل هندسي دوبعدي از سطح مقطع با فرض كرنش صفحه‌اي در نظر گرفته شده كه صرفا اثر حرارتي به كمك روش ميدان فاز در آن بررسي شده است. در اين مدل با عدم در نظر گرفتن انرژي سطحي به عنوان شرط مرزي باعث ذوب ناگهاني نانوسيم در دماي بالاتر از دماي ذوب مي‌شود كه چنين موردي با فيزيك در واقعيت تطابق ندارد. در حالتي كه انرژي سطحي به عنوان شرط مرزي بر روي مرز منحني مدل احتساب شود، فرآيند ذوب به تدريج از فاز جامد به مذاب انجام مي‌گيرد. در دسته دوم مسائل كه اثر مكانيك در مدل ميدان فاز لحاظ گرديده است، تحليل ابعادي نانوسيم و تاثير تغييرات اين موارد بر دماي ذوب مورد بررسي قرار گرفته است. با در نظر گرفتن نانوسيم‌هاي بلند (L/D = 10) و نانوسيم‌هاي كوتاه (L/D = 2) براي شعاع‌ها و طول‌هاي متفاوت، شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد كه با كاهش شعاع، دماي ذوب نيز كاهش مي‌يابد. با در نظر گرفتن شعاع‌هاي ثابت و تغيير طول نيز نتيجه‌اي مشابه با آن‌چه گفته شد، حاصل گرديد. علت اين موضوع افزايش نسبت سطح به حجم در هر دو حالت بوده كه با اعمال حرارت، تضعيف پيوندهاي ميان اتم‌ها كه بيش‌تر بر روي سطح قرار دارند موجب تسريع فرآيند ذوب خواهد شد. سازوكار رخ دادن پديده ذوب در نانوسيم‌ها بر اساس تغييرات دو متغير پارامتر مشخصه و كرنش حجمي كل بررسي گرديد. از نتايج هر دو مطالعه، اين موضوع برداشت مي‌شود كه با كاهش شعاع نانوسيم به زير 5 نانومتر، صفحه مشترك فازي تشكيل نمي‌گردد و فرآيند ذوب به صورت ناگهاني و آني صورت خواهد گرفت. اثر وجود حفره در ساختار نانوسيم نيز مورد تحقيق قرار گرفت. با توجه به محدوديت مدل متقارن محوري دوبعدي در ايجاد يك حفره كروي‌شكل و هم‌چنين عدم امكان رشد حفره در اين مدل، تغييرات شعاع حفره و هم‌چنين موقعيت قرارگيري آن در نانوسيم نشان داد كه وجود اين عيب هندسي تاثيري بر روي دماي ذوب نخواهد داشت. اعتبارسنجي نتايج حاصل شده از شبيه‌سازي‌ها بر اساس مشاهدات ديناميك مولكولي پژوهش‌هاي پيشين و مدل ترموديناميكي جديد ارائه شده در اين پژوهش صورت گرفته است.
شماره ركورد
229624
گرايش رشته تحصيلي
طراحي كاربردي
دانشكده
مهندسي مكانيك
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان