شبيه‌سازي ذوب نانوسيم‌هاي آلومينيومي به روش ميدان فاز

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

كاهش ابعاد مواد به مقياس نانو موجب تغيير شديد خواص و عملكرد آن‌ها مي‌گردد. در اين زمينه، دماي ذوب نانو ساختارها از اهميت ويژه‌اي برخوردار بوده و مطالعات ترموديناميكي و اتمي متعددي بر آن صورت گرفته است. روش ميدان فاز مي‌تواند به خوبي به بررسي ترموديناميك، سينتيك و تغييرات ساختاري نانو مواد بپردازد. در اين پژوهش، براي نخستين بار به مدل‌سازي ميدان فاز پديده ذوب از سطح نانوسيم‌ها و به‌طور خاص از جنس آلومينيوم به دليل كاربرد در سوخت جامد و نانو كامپوزيت‌ها، پرداخته مي‌شود. اين مدل شامل معادله سينتيك گينزبرگ-لاندا كوپل شده با معادلات الاستيسيته و معادله نرخي كرنش ذوب انحرافي مي‌باشد. تأثير هر دو كرنش حجمي و انحرافي ذوب در اين مطالعه لحاظ گرديده است. همچنين، مدل جديدي براي توجيه رفتار ذوب نانوسيم تحت ‌فشار ارائه مي‌شود كه با افزايش فشار، افزايش دماي ذوب را در تطابق با مشاهدات فيزيكي موجود نشان مي‌دهد. شبيه‌سازي ذوب نانوسيم‌هاي طول بلند با فرض كرنش صفحه‌اي و طول كوتاه با فرض تقارن محوري، با در نظر گرفتن فشار خارجي و بدون آن و بصورت هم‌دما با استفاده از نرم‌افزار كامسول صورت گرفته است. براي نانوسيم‌هاي بلند، ذوب نانوسيم آلومينيوم از سطح شروع مي‌شود و به سمت مركز پيشروي مي‌كند. براي قطرهاي كوچك‌تر از يك حد مشخص، نانوسيم آلومينيوم قبل از ذوب كامل، در حالت پيش ذوب قرار مي‌گيرد. دماهاي ترشدگي و ذوب سطحي بر اساس شعاع نانوسيم با مطالعات قبلي مقايسه شدند. در نظر گرفتن نرخ كرنش ذوب انحرافي موجب ايجاد نيروي محركه ذوب و پيش‌بيني دماي ذوب كمتر گشته و تطابق بهتري با شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي نسبت به روابط تحليلي ترموديناميكي مشاهده گرديد. همچنين تأثير كرنش حجمي و انحرافي ذوب حداكثر با اختلاف 5% در مقايسه با شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي و تحليلي قابل‌قبول مي‌باشد. دو مكانيزم ذوب متفاوت بر اساس شعاع نانوسيم شناسايي شد، به‌طوري‌ كه براي شعاع‌هاي بزرگ‌تر از 5 نانومتر، صفحه مشترك مذاب-جامد ايجاد مي‌شود تا كل نمونه ذوب شود. براي شعاع‌هاي كوچك‌تر، صفحه مشترك مذاب-جامد كامل ظاهر نمي‌شود و ذوب نسبتاً همگن صورت مي‌گيرد. براي شعاع‌هاي كوچك‌تر از 15 متوسط نرخ ذوب نسبت معكوسي با شعاع نشان داد. براي نانوسيم‌هاي كوتاه تأثير نرخ كرنش ذوب انحرافي بر دماي ذوب نيز بررسي‌شده است به‌طوري‌ كه براي طول‌هاي كوتاه‌تر، اثر بازدارنده‌اي بر ذوب دارد. همچنين، كشش سطحي تأثير عملي بر دماي ذوب نشان نداد. مشخص گرديد عامل اصلي ذوب و ايجاد وابستگي دماي ذوب به طول، شرايط مرزي انرژي سطحي متغير در دو انتهاي نانوسيم است و بدون آن، دماي ذوب به‌طور غير فيزيكي مستقل از طول خواهد بود. افزايش نرخ گرمادهي بررسي تنها موجب افزايش سرعت ذوب بدون تأثير بر مكانيزم ذوب ‌گرديد. افزايش طول در شبيه‌سازي نانوسيم كوتاه منجر به نزديك شدن دماي ذوب به حالت نانوسيم بلند گرديد. دماي ذوب نانو سيم‌هاي كوتاه و بلند در مقايسه با دماي ذوب حجيم بطور قابل ملاحظه اي كاهش مي‌يابد.

230484

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان