تركيب محاسبات مكانيك كوانتومي و يادگيري ماشين براي طراحي مواد جديد برپايه سولفور

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

طراحي مواد جديد و سپس محاسبه خواص آن‌ها يكي از نيازهاي فناوري نوين است. درحالي‌كه در گذشته نه‌ چندان دور طراحي و كشف مواد جديد و محاسبه خواص آن‌ها به دليل هزينه‌هاي ‌‌‌‌سنگين آزمايشگاهي به شدت محدود بود, اما امروزه با پيشرفت روش‌هاي محاسباتي اين‌گونه نيست. با وجود اين‌كه در اين كار چالش برانگيز روش نظريه تابع چگالي به دليل دقت مكانيك كوانتومي نقش مهمي را ايفا كرده است, اما همواره به دليل محاسبات زمان‌بر و سنگين باعث ايجاد محدوديت‌هايي شده است. اين درحالي‌ است كه پتانسيل‌هاي تجربي سرعتي به مراتب بالاتر دارند. تركيب دقت روش نظريه تابع چگالي همراه با سرعت توابع تجربي از طريق پتانسيل‌هاي بين اتمي يادگيري ماشين امكان‌پذير است. در اين رساله, نه ساختار كريستالي جديد براي سيستم‌هاي دو بعدي آلومينيوم-سولفايد و گاليوم-سولفايد براساس روش الگوريتم ژنتيك برپايه نظريه تابع چگالي و روش تصادفي برپايه پتانسيل‌هاي يادگيري ماشين طراحي شده‌ است. همچنين يازده ساختار كريستالي جديد براي سيستم سه‌بعدي گاليوم-سولفايد تحت اثر فشار هيدرواستاتيك تا 100 گيگاپاسكال طراحي شده است. سپس پايداري حرارتي, ديناميكي, ترموديناميكي و مكانيكي هر يك از ساختارهاي دوبعدي و سه‌بعدي بررسي شده است. تمامي ساختارهاي طراحي شده از نظر ديناميكي و حرارتي تا حداقل دماي 600 درجه كلوين پايدار مي‌باشند. خواص مكانيكي مواد طراحي شده همچون مدول يانگ, مدول برشي و نسبت پواسون در همه راستا‌ها بررسي شده و همسانگردي و غير همسانگردي آن‌ها مشخص شده است. يافته‌هاي ما نشان مي‌دهد فاز جديد پيش‌بيني شده C2/m از ساختار Ga3S4 سخت‌ترين فاز مي‌باشد. براي ساختار‌هاي سه‌بعدي انقال فاز تحت اثر فشار هيدرواستاتيك بررسي شد. براي ساختار GaS2 يك انتقال فاز در فشار 40 گيگاپاسكال مشاهده شد. در مقابل براي تركيب Ga2S3 مجموعه‌اي از انتقال فاز‌ها در فشارهاي 8 و 12 گيگاپاسكال پيش‌بيني شد. تركيب GaS نيز دو انتقال فاز از در فشارهاي 9 و 57 گيگاپاسكال را تجربه مي‌كند. براي ساختارهاي دو بعدي خواص پيزوالكتريك و تحرك حامل‌ها محاسبه شده‌ است. ضرايب پيزوالكتريك داخل و خارج از صفحه از 1/91- تا 6/31 و از 39/09- تا 0/41 پيكومتر بر ولت به‌ترتيب مي‌باشد و تحرك حامل‌ها در بازه Cm2V-1s-1 14-1 مي‌باشد. همچنين براي ساختار دي‌سولفيدموليبدن يك پتانسيل يادگيري ماشين براساس روش تانسور پتانسيل ممان طراحي شده است. بعد از به‌دست آوردن تابع پتانسيل يادگيري ماشين يك شبيه‌سازي تست كشش تك محوره, با استفاده از روش ديناميك مولكولي برروي اين ماده انجام شده است و خواص مكانيكي ماده موردنظر ارزيابي شده است. نتايج به‌دست آمده براي اين ماده با كارهاي آزمايشگاهي موجود و روش نظريه تابع چگالي مقايسه شده است. همچنين تاثير دما و عيب تهي‌جا نيز برروي خواص مكانيكي مطالعه شده است. با افزايش دما و افزايش مقدار عيوب ساختاري مطابق انتظار خواص مكانيكي كاهش پيدا كرده‌اند كه نشان مي‌دهد پتانسيل طراحي شده براي ساختارهاي داراي عيب نيز مي‌تواند استفاده شود. از آنجايي‌كه نتايج آزمايشگاهي گزارش شده داراي پراكندگي زيادي هستند نتايج اين تحقيق مي‌تواند به عنوان راهنمايي براي مطالعات آزمايشگاهي به‌منظور پيش‌بيني دقيق خواص نانو مواد مورد توجه قرار گيرد. همچنين يافته‌هاي ما, نه‌تنها خانواده مواد دوبعدي و سه‌بعدي برپايه سولفور را گسترش مي‌دهد بلكه باتوجه به خواص منحصربه‌فرد اين مواد، كاربردهاي بالقوه آن‌ها در حوزه‌هاي مختلف فناوري را نشان مي‌دهد.

236254

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان