رفتن به محتوای اصلی
x
شبیه سازی ذوب نانوسیم های آلومینیومی به روش میدان فاز
تاریخ دفاع
استاد

مهدي جوان بخت

دانشکده
مهندسی مكانیك

  

چکیده

کاهش ابعاد مواد به مقیاس نانو موجب تغییر شدید خواص و عملکرد آن‌ها می‌گردد. در این زمینه، دمای ذوب نانو ساختارها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بوده و مطالعات ترمودینامیکی و اتمی متعددی بر آن صورت گرفته است. روش میدان فاز می‌تواند به خوبی به بررسی ترمودینامیک، سینتیک و تغییرات ساختاری نانو مواد بپردازد. در این پژوهش، برای نخستین بار به مدل‌سازی میدان فاز پدیده ذوب از سطح نانوسیم‌ها و به‌طور خاص از جنس آلومینیوم به دلیل کاربرد در سوخت جامد و نانو کامپوزیت‌ها، پرداخته می‌شود. این مدل شامل معادله سینتیک گینزبرگ-لاندا کوپل شده با معادلات الاستیسیته و معادله نرخی کرنش ذوب انحرافی می‌باشد. تأثیر هر دو کرنش حجمی و انحرافی ذوب در این مطالعه لحاظ گردیده است. همچنین، مدل جدیدی برای توجیه رفتار ذوب نانوسیم تحت ‌فشار ارائه می‌شود که با افزایش فشار، افزایش دمای ذوب را در تطابق با مشاهدات فیزیکی موجود نشان می‌دهد. شبیه‌سازی ذوب نانوسیم‌های طول بلند با فرض کرنش صفحه‌ای و طول کوتاه با فرض تقارن محوری، با در نظر گرفتن فشار خارجی و بدون آن و بصورت هم‌دما با استفاده از نرم‌افزار کامسول صورت گرفته است. برای نانوسیم‌های بلند، ذوب نانوسیم آلومینیوم از سطح شروع می‌شود و به سمت مرکز پیشروی می‌کند. برای قطرهای کوچک‌تر از یک حد مشخص، نانوسیم آلومینیوم قبل از ذوب کامل، در حالت پیش ذوب قرار می‌گیرد. دماهای ترشدگی و ذوب سطحی بر اساس شعاع نانوسیم با مطالعات قبلی مقایسه شدند. در نظر گرفتن نرخ کرنش ذوب انحرافی موجب ایجاد نیروی محرکه ذوب و پیش‌بینی دمای ذوب کمتر گشته و تطابق بهتری با شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی نسبت به روابط تحلیلی ترمودینامیکی مشاهده گردید. همچنین تأثیر کرنش حجمی و انحرافی ذوب حداکثر با اختلاف 5% در مقایسه با شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی و تحلیلی قابل‌قبول می‌باشد. دو مکانیزم ذوب متفاوت بر اساس شعاع نانوسیم شناسایی شد، به‌طوری‌ که برای شعاع‌های بزرگ‌تر از 5 نانومتر، صفحه مشترک مذاب-جامد ایجاد می‌شود تا کل نمونه ذوب شود. برای شعاع‌های کوچک‌تر، صفحه مشترک مذاب-جامد کامل ظاهر نمی‌شود و ذوب نسبتاً همگن صورت می‌گیرد. برای شعاع‌های کوچک‌تر از 15 متوسط نرخ ذوب نسبت معکوسی با شعاع نشان داد. برای نانوسیم‌های کوتاه تأثیر نرخ کرنش ذوب انحرافی بر دمای ذوب نیز بررسی‌شده است به‌طوری‌ که برای طول‌های کوتاه‌تر، اثر بازدارنده‌ای بر ذوب دارد. همچنین، کشش سطحی تأثیر عملی بر دمای ذوب نشان نداد. مشخص گردید عامل اصلی ذوب و ایجاد وابستگی دمای ذوب به طول، شرایط مرزی انرژی سطحی متغیر در دو انتهای نانوسیم است و بدون آن، دمای ذوب به‌طور غیر فیزیکی مستقل از طول خواهد بود. افزایش نرخ گرمادهی بررسی تنها موجب افزایش سرعت ذوب بدون تأثیر بر مکانیزم ذوب ‌گردید. افزایش طول در شبیه‌سازی نانوسیم کوتاه منجر به نزدیک شدن دمای ذوب به حالت نانوسیم بلند گردید. دمای ذوب نانو سیم‌های کوتاه و بلند در مقایسه با دمای ذوب حجیم بطور قابل ملاحظه ای کاهش می‌یابد.کلمات کلیدی: روش میدان فاز، نانوسیم‌های آلومینیومی، ذوب از سطح، دمای ذوب، انرژی سطح، اثر ابعادی

تحت نظارت وف ایرانی