Luận án: Mô phỏng ứng xử cơ học ống nano phốt pho đen bằng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Trang MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGUYÊN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2018 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Trang MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGUYÊN TỬ Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn khoa học 1: PGS. Lê Minh Quý Hướng dẫn khoa học 2: GS. Trần Ích Thịnh Hà Nội - 2018 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung được trình bày trong luận án này được nghiên cứu bởi bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS. Lê Minh Quý và GS.

Trần Ích Thịnh. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày tháng năm 2018 Người hướng dẫn 1 Nghiên cứu sinh PGS. Lê Minh Quý Nguyễn Văn Trang Người hướng dẫn 2 GS.

Trần Ích Thịnh iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. Lê Minh Quý và GS. Trần Ích Thịnh, Thầy hướng dẫn khoa học đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, Viện Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận án này.

Tôi muốn cảm ơn sự giúp đỡ vô tư của bạn bè, đồng nghiệp tại bộ môn Thiết kế cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã dành những điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án của mình. Tôi muốn bày tỏ sự biết ơn của mình đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện cơ khí Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người đã luôn động viên, giúp đỡ tôi về mặt tinh thần trong suốt thời gian qua. i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

iii LỜI CẢM ƠN. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT. iii DANH MỤC CÁC BẢNG. iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.

vi MỞ ĐẦU. 1 Chương 1 TỔNG QUAN.1 Giới thiệu về vật liệu hai chiều (2D) và phốt pho đen.2 Các phương pháp tính .3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về tấm và ống nano .1 Graphene và các vật liệu tương tự graphene .2 Tấm phốt pho đen .3 Ống phốt pho đen .4 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam về tấm và ống nano. 28 Chương 2 CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NGUYÊN TỬ ÁP DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN .1 Cấu trúc tấm và ống nano phốt pho đen .1 Cấu trúc tấm nano phốt pho đen .2 Cấu trúc ống nano phốt pho đen .2 Thế năng tương tác giữa các nguyên tử .1 Giới thiệu chung về thế năng tương tác giữa các nguyên tử .2 Hàm thế Tersoff .3 Hàm thế Stillinger-Weber.3 Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử .1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử .2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử .3 Kiểu phần tử trong AFEM .4 Mô hình phần tử hữu hạn nguyên tử với hàm thế Stillinger-Weber. 47 Chương 3 KẾT QUẢ KÉO ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN .1 Đánh giá độ tin cậy của chương trình tính kéo ống nano phốt pho đen .2 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống đến đặc trưng cơ học của ống nano phốt pho đen .1 Ảnh hưởng của chiều dài ống đến đường cong ứng suất-biến dạng của ống nano phốt pho đen chịu kéo .2 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống đến giá trị mô đun đàn hồi của ống nano phốt pho đen chịu kéo .3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống đến giá trị ứng suất phá hủy của ống nano phốt pho đen chịu kéo .4 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài ống đến giá trị biến dạng phá hủy của ống nano phốt pho đen chịu kéo .3 Kết quả kéo ống nano phốt pho đen bằng phương pháp AFEM .1 Đường cong ứng suất-biến dạng.2 Mô đun đàn hồi .3 Hệ số Poisson .4 Ứng suất và biến dạng phá hủy.

75 Chương 4 KẾT QUẢ NÉN ỐNG NANO PHỐT PHO ĐEN .1 Đánh giá độ tin cậy của chương trình tính nén ống nano phốt pho đen .2 Kết quả nén ống nano phốt pho đen tính bằng phương pháp AFEM .1 Ảnh hưởng của đường kính ống khi tỷ số chiều dài/đường kính không đổi, L/D=8 và đường kính ống thay đổi.2 Ảnh hưởng của chiều dài ống khi đường kính ống không đổi .3 Ảnh hưởng của đường kính khi chiều dài ống không đổi .3 So sánh đặc trưng cơ học của ống nano phốt pho đen khi kéo và nén khi đường kính ống thay đổi và tỷ số chiều dài/đường kính ống, L/D=8. 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG ĐÃ BỐ CỦA LUẬN ÁN.

108 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT MD Molecular Dynamics - Động lực phân tử. MM Molecular Mechanical - Cơ học phân tử. DFT Density Functional Theory - Lý thuyết hàm mật độ. FEM Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn.

TB Tight-Binding – Phương pháp Tight-Binding. AFEM Atomistic Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử. MDFEM Molecular Dynamics Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn động lực phân tử. CNT Carbon Nano Tube - Ống các bon nano.

SW Stillinger-Weber - Hàm thế Stillinger-Weber. BPNT Black Phosphorene Nanotube - Ống nano phốt pho đen. COMPASS Condensed-phase Optimized Molecular Potentials for Atomistic Simulation Studies - Hàm thế COMPASS. ECP Effective Core Pseudo-potential - Hàm thế ECP.

BN Boron Nitride - Bo Nitơ. SiC Silicene Carbon - Silic Các bon. Si Silicene – Silic. t Độ dày ống vật liệu nano đơn lớp (nm).

Y Mô đun đàn hồi (N/m2). Yt Mô đun đàn hồi 2 chiều (N/m). iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc trưng cơ học của tấm graphene tính bằng các phương pháp khác 18 nhau Bảng 1.2 Cơ tính của tấm BN tính bằng các phương pháp khác nhau 20 Bảng 1.3 Cơ tính của tấm SiC tính bằng các phương pháp khác nhau 21 Bảng 1.4 Cơ tính của tấm Si tính bằng các phương pháp khác nhau 22 Bảng 1.5 Cơ tính của tấm nano phốt pho đen tính bằng các phương pháp khác 23 nhau Bảng 1.6 Cơ tính của ống phốt pho đen nano được tính bằng các phương pháp 25 khác nhau Bảng 2.1 Thông số hình học của tấm và ống phốt pho đen [114] 31 Bảng 2.2 Thông số hàm thế Stillinger-Weber cho tương tác giữa 2 nguyên tử 47 (kéo dãn liên kết) Bảng 2.3 Thông số hàm thế Stillinger-Weber cho tương tác giữa 3 nguyên tử 47 (uốn liên kết). Pb và Pt là các nguyên tử thuộc đường kính trong và đường kính ngoài của ống Bảng 3.1 Bảng thông số hình học của ống armchair nano phốt pho đen khi tỷ 57 số chiều dài/đường kính, L/D=8 cho tất cả các ống Bảng 3.2 Bảng thông số hình học của ống zigzag nano phốt pho đen khi tỷ số 57 chiều dài/đường kính, L/D=8 cho tất cả các ống Bảng 3.3 Mô đun đàn hồi của ống amrchair nano phốt pho đen (kéo theo 59 phương zigzag) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 3.4 Mô đun đàn hồi của ống zigzag nano phốt pho đen (kéo theo phương 60 amrchair) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 3.5 Hệ số Poisson của ống amrchair nano phốt pho đen (kéo theo 66 phương zigzag) tính bằng phương pháp AFEM v Bảng 3.6 Hệ số Poisson của ống zigzag nano phốt pho đen (kéo theo phương 67 amrchair) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 3.7 Ứng suất phá hủy và biến dạng phá hủy của ống amrchair nano phốt 70 pho đen (kéo theo phương zigzag) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 3.8 Ứng suất phá hủy và biến dạng phá hủy của ống zigzag nano phốt 71 pho đen (kéo theo phương amrchair) tính bằng phương pháp AFEM Bảng 4.1 Bảng thông số hình học của ống armchair nano phốt pho đen 79 Bảng 4.2 Bảng thông số hình học của ống zigzag nano phốt pho đen 79 Bảng 4.3 Đặc trưng cơ học của ống armchair nano phốt pho đen (nén dọc theo 82 phương zigzag) Bảng 4.4 Đặc trưng cơ học của ống zigzag nano phốt pho đen (nén dọc theo 83 phương armchair) Bảng 4.5 Ứng suất tới hạn và biến dạng tới hạn của ống (0, 8) armchair và (10, 87 0) zigzag nano phốt pho đen chịu nén dọc trục khi tỷ số chiều dài/đường kính L/D thay đổi Bảng 4.6 Ứng suất tới hạn và biến dạng tới hạn của ống armchair nano phốt 89 pho đen khi cố định chiều dài ống, L=80 Å và đường kính ống thay đổi Bảng 4.7 Ứng suất tới hạn và biến dạng tới hạn của ống zigzag nano phốt pho 89 đen khi cố định chiều dài ống, L=80 Å và đường kính ống thay đổi vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nano rô bốt trong y học [15] 6 Hình 1.2 Pin CMOS/nano [143] 6 Hình 1.3 Ống các bon nano (CNT) và tấm graphene [24] 8 Hình 1.4 Tấm và ống BN: a) tấm BN; b) ống BN [88] 9 Hình 1.5 Hình ảnh thỏi phốt pho đen [110] 10 Hình 1.6 Hình ảnh tấm phốt pho đen nhiều lớp [110] 10 Hình 1.7 Các dạng tấm phốt pho: a) -phốt pho; b) -phốt pho; c) - 12 phốt pho; d) -phốt pho; e) -phốt pho [56] Hình 1.8 Đường cong ứng suất-biến dạng của BN, SiC và AlN [52] 28 Hình 2.1 Cấu trúc hình học của tấm nano phốt pho đen: a) Hình ảnh phóng to 30 của 6 nguyên tử phốt pho; b) Hình ảnh 3D; c) Hình chiếu đứng; d) Hình chiều cạnh của tấm.

Màu đỏ là ký hiệu cho các nguyên tử phốt pho ở phía trên (Pt), màu xanh là ký hiệu cho các nguyên tử phốt pho ở phía dưới (Pb) Hình 2.2 Thông số hình học tấm phốt pho đen : a) Hình chiếu đứng; b) Hình 31 chiếu cạnh [17] Hình 2.3 Cấu trúc nguyên tử của ống nano phốt pho đen: a) Ống armchair; b) 32 Ống zigzag Hình 2.4 Sơ đồ khối chương trình giải lặp với điều kiện biên tùy ý [1] 40 Hình 2.5 Sơ đồ khối chương trình giải lặp với điều kiện biên là một chuyển vị 41 đủ nhỏ [1] Hình 2.6 Mô phỏng quá trình tìm nghiệm sử dụng sơ đồ lặp với điều kiện biên 42 tùy ý [1] Hình 2.