Effects Of Spatial Distribution Of Fullerene On The Mechanical Behavior Of Graphene Fullere Composites

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Son yıllarda ortaya konulan ciddi deneysel ve teorik araştırmalara paralel olarak, nanoteknoloji içerisinde önemli bir yer sahibi olan ‘nanomalzemeler’ önemli ve ilgi çeken bir bilim alanı olmuştur. Bir çok çalışma göstermiştir ki; yakın gelecekte, daha kompleks mühendislik yapılarının meydana getirilmesinde nanomalzemelerin üstün fiziksel ve kimyasal özelliklerinden ciddi oranda yararlanılacaktır. Örneğin, konvansiyonel malzemelerden daha iyi performansa sahip ultra hafif malzemelerin dizaynı yakın gelecekte mümkün olacaktır. Bu açıdan değerlendirildiğinde, karbon temelli malzemeler, grafen, karbon nanotüpler (CNTs) ve fulleren her disiplinden bir çok araştırmacının dikkatini çekmektedir. Karbon yapılı malzemelerin doğasını anlamak için karbonun elektronik yapısının detaylı olarak incelenmesi ve bilinmesi gerekir.Karbon 6 elektronlu (1s2, 2s2, 2p2) yapısıyla diğer bir çok element ile kolay bağ kuran bir yapıya sahiptir. Bunla beraber karbon kendi içerisinde de bağ kurabilir ve bu sebeple doğada allotroplarıyla bilinen bir elementtir. Elmas ve grafit karbon allotrobu olarak uzun çağlardır bilinmektedir. Ancak tamamen yeni karbon formları olan fulleren, grafen ve karbon nanotupler son 30 yılda bulunan yeni karbon formlarıdır. Fulleren ilk olarak ‘buckminsterfullerene’ ismiyle Kroto tarafından 1985 yılında rapor edilmiştir.C60 molekülü en yaygın bilinen fulleren yapısıdır ve 12 tane beşgen, 20 tane altıgen yüzeyin simetrik olarak dizilmesiyle elde edilen küresel bir moleküldür. Bu yapısıyla fulleren, Euler teoremine uyum sağlamaktadır. Fulleren sp2 bağ yapısıyla çok güçlü bir moleküler yapıya sahiptir ve çok büyük basınç yüklerine karşı dayanım gösterebilir. Fullerenler 3000 atmosfer basınca maruz kaldıktan sonra üzerindeki yük kaldırıldığında, ilk hallerine dönebilecek kadar dayanımı yüksek malzemelerdir. Bu açıklamaya paralel olarak teorik hesaplar göstermektedir ki bir C60 molekülünün elastiklik modülü yaklaşık olarak 668 GPa mertebesindedir. Fullerenlerden farklı olarak, grafen, iki boyutlu kristal bir yapıya sahiptir. Grafitten çeşitli üretim teknikleriyle elde edilen, tek atom kalınlığında karbon atomlarının altıgen formda yerleşmesiyle elde edilmektedir. İlk kez 2004 yılında üretimi gerçekleştirilmiştir ve o tarihten itibaren bilim ve endüstri dünyasından bir çok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda grafenin elastiklik modülünün 500 GPa mertebesinde olduğu bilinmektedir. Grafen %15 gerinim altında dahi serbest bırakıldığında ilk haline dönebilmektedir. Bu çalışmada, grafen katmanlarının arasına fulleren yapıları yerleştirilerek tamimiyle yeni bir malzeme modeli önerilmiş ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Test modellerinde fullerenler grafen katmanları arasına rastgele ve düzenli olarak yerleştirilerek,,grafen katmanları üzerindeki dağılımlarının, malzemenin mekanik özelliklerine ve enerji depolama kabiliyetine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla fullerenlerin altıgen, kare, döndürülmüş altıgen ve rastgele dağıltılmasıyla 4 farklı test modeli oluşturulmuştur. Her test modeli on bir grafen katmanından oluşmaktatır. Bu çalışmada C180 tipi fulleren yapıları kullanılmıştır. Bu varsayımlar kullanılarak, mekanik davranışlarının incelenmesi maksadıyla her dört farklı fulleren dağılımına sahip test numunelerinin moleküler dinamik (MD) yöntemiyle basma yükü altındaki davranışı incelenmiştir. Temel olarak MD kompleks malzeme sistemlerinin mekanik davranışlarının bilgisayar ortamında atomik seviyede incelenmesine olarak sağlayan bir tekniktir. Geçmişte bilimin ilerlemesi tamimiyle deneysel ve teorik çalışmalara dayanmaktaydı. Ancak atomik boyutta istenilen deneylerin yapılabilmesi çoğu zaman mümkün olmamakla beraber, gerçekleştirilebilen bir çok test ve deney ise çok yüksek teknolojiye ihtiyaç duyduğundan oldukça pahalıdır. Öte yandan teorik çalışmalar ise analitik ve nümerik olarak bir çok varsayıma dayandığı için ancak limitli sayıda özel durumlar için kullanılabilir durumdadır. İşte tam bu noktada bilgisayar tabanlı MD metotları erişilebilir deneysel çalışmalarla teorik varsayımlar arasında bir köprü görevi görerek araştırmacılar için ciddi bir fırsat sunmaktadır. MD metotları temelde fiziksel sistemin tanımlanmasına göre iki ayrı kategoriye ayrılmaktadır. Bunlardan ilki ‘klasik mekanik’ yaklaşımı olarak adlandırılmaktadır ve Newton fiziğine dayanmaktadır. İkinci yöntem ise ‘kuantum mekanik’ yöntemlerine dayanmaktadır ve bu yöntemde kimyasal bağların yapısı kuantum denklemeleri kullanılarak hesaplanmaktadır. İlk olarak 1980’li yılların başlarında kullanılmaya başlanılan kuantum tabanlı MD metotları, klasik MD yöntemlerine göre çok daha doğru sonuçlar sağlamaktadır. Ancak kuantum tabanlı MD simülasyonları çok daha fazla bilgisayar kapasitesine ihtiyaç duymaktadır. Bu sebeple ancak daha küçük modellerde, bir kaç nanosaniye mertebelerinde kullanımları mümkün olmaktadır. Öte yandan gerçek sonuçlardan belli hata miktarlarıyla sonuç veren klasik MD yöntemleri daha büyük yapıların daha uzun süreli olarak modellenmesine olanak vermesi açısından yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu çalışmada da oluşturulan fulleren-grafen nano-kompozit malzemelerin mekanik davranışları, klasik MD yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Klasik MD programı olarak bu çalışmada ‘Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS)’ kullanılmıştır. Ayrıca analiz sonuçlarının incelenmesi ‘Open Visualization Tool (OVITO)’ yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Kullanılan moleküler dinamik programı atom modellemesine izin vermemektedir. Bu sebeple, nano-kompozit malzemeye ait atom koordinatları ‘MATLAB’ ortamında kod yardımıyla oluşturulup, daha sonra LAMMPS ortamına aktarılmıştır. Atomlar moleküler dinamik simülasyon ortamına tanıtıldıktan sonra karbon atomları arasındaki bağ kuvvetlerini modellemek amacıyla ‘Adaptive intermolecular reactive bond order (AIREBO)’ potansiyeli kullanılmıştır. AIREBO potansiyeli karbon içeren yapılarda bağ kuvvetlerinin modellenmesinde en yaygın olarak kullanılan potansiyeldir. Ayrıca atomlar arasında fiziksel olmayan kuvvetlerin oluşmasını engellemek amacıyla karbon atomları arasında bağ oluşmuşumunda mesafe kontrolü kullanılmıştır. Bu çalışmada iki karbon arasında bağ kuvveti oluşması için tanımlanan maksimum mesafe 2 Angström olarak belirlenmiştir. Karbon atomları arasındaki bağ kuvvetleri tanımlandıktan sonra, test modelleri simülasyon ortamında şartlandırılmıştır. Tüm test modellerinde basınç değeri sıfıra eşitlenmiştir. Böylelikle basma yükü uygulanmadan önce test modellerinde artık gerilme ortadan kaldırılmıştır. Bu çalışmada fulleren atomlarının grafen katmanları arasına dağılımlarının, malzemenin mekanik özeliklerine etkisinin incelenmesine ek olarak, önerilen yeni malzemenin davranışının, sıcaklık ve gerinim hızına hassasiyeti de incelenmiştir. Bu amaçla basma yükü uygulanmadan önce test modelleri 300 K, 500 K ve 700 K sıcaklığında şartlandırılmış ve modellerin kararlı hale ulaştığından emin olunmuştur. Basma hızının malzemenin mekanik özeliklerine ve enerji sönümleme karakterine etkisini incelemek için ise modeller 0.002 ps-1, 0.004 ps-1 ve 0.006 ps-1 gerinim hızlarında yüklenmiştir. Analizler tamamlandıktan sonra ise test modellerinin mekanik davranışlarını incelemek amacıyla gerilme-gerinim grafikleri oluşturulmuştur. Bu grafiklerle malzemelerin karakterlerinin belirlenmesine ek olarak, grafiklerin altında kalan alanın hesaplanmasıyla malzemelerin ne kadar enerji sönümlediği de hesaplanabilmiştir. Bu çalışmanın sonucu olarak fullerenlerin, farklı uzaysal pozisyonlarda grafen katmanları arasında dağıtılması malzemenin basma gerilme seviyelerini değiştirmekle beraber malzemelere ait gerilme-gerinim grafiğinin karakteri üzerinde de ciddi bir etkisinin olduğu gözlemlenmiştir. Altıgen ve kare fulleren dağılımlarının mekanik ve enerji sönümleme karakteri konvansiyonel köpük malzemelerle benzerlik göstermesine rağmen, döndürülmüş altıgen ve rastgele fulleren dağılımlarının tamamen farklı davrandığı rapor edilmiştir. Bu çalışmada sıcaklık ve gerinim hızına bağlı malzeme özelliklerindeki değişimler de incelenmiştir. Sonuç itibariyle; sıcaklığın malzeme davranışı üzerinde önemli bir etkisi olmadığı sonucuna varılmıştır. Ancak elastiklik modülünün sıcaklık artışıyla beraber düşme eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. Diğer bir parametre olan gerinim hızının ise, gerilme-gerinim grafiğinin karakterine etkisinin olmadığı sonucuyla beraber, yüksek gerinim hızlarının daha yüksek pik gerilme değerlerine sebep olduğu sonucuna varılmıştır.Carbon based nanostructures such as carbon nanotubes (CNTs), graphene and fullerenes have attracted great attention due to their remarkable thermal, mechanical and electrical properties. In the last years, hybrid carbon nanomaterials, which enable to construct higher scale, tailorable materials consisting of coupled nanostructures such as graphene-CNT, fullerene-CNT and graphene-fullerene, are in the focus of researchers. In this respect, this study examines the mechanical characteristics of a hybrid nanostructured material that consists of fullerenes covalently sandwiched between parallel graphene sheets. After checking stability of the covalent junctions and thermodynamic feasibility of the overall nanostructure by monitoring the free energy profiles over a sufficiently long period through molecular dynamics simulations (MD),as the main objective of this study, the effects of layerwise spatial distribution of fullerenes on the compressive mechanical properties are investigated. For this purpose, atomistic models for the proposed fullerene-graphene composite structures are generated by the use of C180 fullerene with different spatial arrangements between graphene sheets. Random and ordered type fullerene dispersions are considered as two main fullerene distribution schemes employed in the atomistic modelling process. Comparisons are performed between fullerene-graphene composite structures with randomly and evenly distributed fullerenes in terms of elastic mechanical properties and energy absorbing characteristics. In this regard, compressive loading tests at different strain rates and various temperatures are performed via MD simulations to capture the mechanical response of sandwiched fullerene-graphene structures with different fullerene arrangements. In the MD simulations, the four nanostructures were assumed to be different spatial fullerene arrangement between graphene layers and results were compared. It was found that spatial distribution of fullerenes has remarkable influence on both compressive stress level and stress-strain characteristic of the novel fullerene –graphene foams. Mechanical response of the hexagonal and square fullerene arrangement models are in good agreement with both each other and conventional foam materials while rotated hexagonal and randomly fullerene distributed models are exhibited totally unique mechanical behaviours due to their special structures. In addition to investigation of spatial fullerene distribution effects on mechanical properties of the fullerene-graphene specimens, temperature and strain rate sensitivity of nano foams are studied in this thesis. As a consequence of certain MD simulation results, applied temperatures have no major impact on stress-strain curve tendency; however, young modulus of the materials tend to decrease with higher employed temperature level. In parallel that mechanical tests of fullerene-graphene foams under uniaxial compression show that the form of the stress-strain diagram does not depend on the applied strain rates. However, higher strain rates in general lead to higher stresses under compression at the beginning of the plateau regime and densification phase.Yüksek LisansM.Sc