تحلیل رفتار شکست پلی کریستال نیترید کربن به روش‌های الگوریتم ژنتیک و دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• مهدی بینقی ¹
• سعید رهنما ¹
• علی دادرسی ²

¹ گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

² گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار

10.22067/jacsm.2023.83323.1192

چکیده

کمانش غیرخطی ناشی از مرزدانه‌ها در ساختارهای دو بعدی و عیوب هندسی به عنوان عوامل اثرگذار بر رفتار شکست این ساختارها معرفی می‌شوند. از آنجایی که رفتار مکانیکی نانوساختارهای پلی‌کریستال به خوبی شناخته نشده است، در این مقاله، بررسی رفتار مکانیکی نانوصفحات نیترید کربن به عنوان تابعی از دما و مرزدانه مورد مطالعه قرار گرفت. عملکرد مکانیکی پلی کریستال نیترید کربن در حضور و عدم حضور ترک لبه‌ای و در دماهای 100 تا 900 کلوین مورد آزمایش قرار گرفت. از شبیه سازی دینامیک مولکولی به عنوان یک روش مقرون به صرفه برای مدلسازی صفحات دو بعدی با انتخاب تابع پتانسیل مناسب و شرایط مرزی استفاده شد. نتایج نشان داد که خواص مکانیکی مونوکریستال نیتزید کربن با افزایش دما کاهش یافت و نتایج در راستای زیگزاگ بالاتر از آرمچیر گزارش شد. همین روند برای ساختار پلی کریستال نیز مشاهده شد که با افزایش دما، مدول یانگ، تنش و کرنش شکست کاهش یافت. همچنین، افزایش طول ترک از 5 به 25 آنگستروم نیز سبب کاهش خواص مکانیکی شد. از سویی دیگر، افزایش تعداد ناحیه برای پلی کریستال نیترید کربن موجب کاهش تنش شکست گردید. علاوه بر این، بهینه سازی به روش الگوریتم ژنتیک صورت پذیرفت و نتایج نشان داد که مقدار بهینه‌ی مدول یانگ برای پلی کریستال نیترید کربن با 53 ناحیه در دمای 95/586 کلوین و طول ترک 52/6 آنگستروم، معادل 18/338 گیگاپاسکال است. نتایج بدست آمده از این مطالعه را می‌توان به موارد پیچیده‌تر تعمیم داد تا درک عمیق‌تری از نسل‌های بعدی ساختارهای دو بعدی را پیش بینی نماید.

کلیدواژه‌ها

• نیترید کربن
• خواص مکانیکی
• شبیه سازی
• پلی کریستال
• الگوریتم ژنتیک
• دینامیک مولکولی

موضوعات

• مکانیک جامد

---

عنوان مقاله [English]

Analysis of fracture behavior of carbon nitride poly crystalline by genetic algorithm and molecular dynamics methods

نویسندگان [English]

• Mehdi Beynaghi ¹
• S. Rahnama ¹
• Ali Dadrasi ²

¹ University of Birjand

² Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Hakim Sabzevari University, Sabzevar Iran

چکیده [English]

Nonlinear buckling caused by grain boundaries in two-dimensional structures and geometric defects are introduced as factors affecting the fracture behavior of these structures. Since the mechanical behavior of polycrystalline nanostructures is not well known, in this article, the mechanical behavior of carbon nitride nanosheets was studied as a function of temperature and grain boundaries. The mechanical performance of polycrystalline carbon nitride was tested in the presence and absence of edge cracks and at temperatures from 100 to 900 K. Molecular dynamics simulation was used as a cost-effective method for modeling two-dimensional nanosheets by choosing the appropriate potential function and boundary conditions. The results showed that the mechanical properties of carbon nitride monocrystalline decrease with increasing temperature and the results were reported in zigzag direction higher than armchair. The same trend was observed for the polycrystalline structures. The increase in temperature caused the mechanical features to decrease. Also, increasing the crack length from 5 to 25 angstroms caused a decrease in mechanical properties. On the other hand, increasing the number of regions for carbon nitride polycrystalline decreased the failure stress. In addition, the optimization was carried out by genetic algorithm and the results showed that the optimal value of Young's modulus for carbon nitride polycrystalline with 53 regions at a temperature of 586.95 K and a crack length of 6.52 angstroms is equivalent to 338.18 GPa. The results obtained from this study can be generalized to more complex cases to predict a deeper understanding of the next generations of two-dimensional structures.

کلیدواژه‌ها [English]

• Carbon nitride
• Mechanical properties
• Simulation
• Polycrystalline
• Genetic algorithm
• Molecular dynamics