توصيفگر ها :
نانوسيم , دماي ذوب , ميدان فاز , ديناميك مولكولي , مدل ترموديناميكي , پارامتر مشخصه
چكيده فارسي :
نانوسيم‌ها با توجه به ابعاد بسيار كوچك خود، خواص متفاوتي را ارائه مي‌دهند. اين خواص منحصر به فرد موجب شده تا اين مواد در حوزه‌هايي مانند الكترونيك، پزشكي، مكانيك و ساير صنايع كاربرد داشته باشند. در اين پژوهش يكي از خواص حرارتي اين مواد يعني دماي ذوب در نانوسيم‌هاي آلومينيومي به كمك روش ميدان فاز مورد بررسي واقع شده است. روش ميدان فاز در قالب رابطه گينزبرگ-لاندا به ارزيابي ناپايداري به وجود آمده در يك سيستم مي‌پردازد. در اين روش، انرژي نانوسيم كه به صورت انرژي آزاد هلمهولتز در نظر گرفته شده و شامل چهار بخش الاستيك، دو چاهي، حرارتي و گراديان مي‌شود، كمينه‌سازي مي‌شود. با توجه به دوفازي بودن فرآيند ذوب و به منظور نشان دادن نوع فاز در هر نقطه و لحظه از زمان، متغيري به نام پارامتر مشخصه تعريف مي‌شود كه مقدار آن براي جامد برابر با يك و براي مذاب برابر با صفر در نظر گرفته مي‌شود و پارامتر مشخصه در صفحه مشترك فازي از يك تا صفر تغيير مي‌كند. هم‌چنين به منظور در نظر گرفتن اثر مكانيك در مسئله بايستي مجموعه روابط الاستيسيته به صورت هم‌زمان با رابطه گينزبرگ-لاندا حل گردد. پياده‌سازي روابط حاكم و شرايط مرزي آن در نرم‌افزار كامسول انجام گرفته است. در شبيه‌سازي‌هاي صورت گرفته از مدل يك‌چهارم و متقارن محوري به منظور كاهش حجم محاسبات بهره برده شده است. شبيه‌سازي‌ها بر اساس در نظر گرفتن اثر مكانيك يا عدم آن در دو دسته كلي مورد بررسي قرار گرفته‌اند. در مدل ميدان فاز خالص، يك مدل هندسي دوبعدي از سطح مقطع با فرض كرنش صفحه‌اي در نظر گرفته شده كه صرفا اثر حرارتي به كمك روش ميدان فاز در آن بررسي شده است. در اين مدل با عدم در نظر گرفتن انرژي سطحي به عنوان شرط مرزي باعث ذوب ناگهاني نانوسيم در دماي بالاتر از دماي ذوب مي‌شود كه چنين موردي با فيزيك در واقعيت تطابق ندارد. در حالتي كه انرژي سطحي به عنوان شرط مرزي بر روي مرز منحني مدل احتساب شود، فرآيند ذوب به تدريج از فاز جامد به مذاب انجام مي‌گيرد. در دسته دوم مسائل كه اثر مكانيك در مدل ميدان فاز لحاظ گرديده است، تحليل ابعادي نانوسيم و تاثير تغييرات اين موارد بر دماي ذوب مورد بررسي قرار گرفته است. با در نظر گرفتن نانوسيم‌هاي بلند (L/D = 10) و نانوسيم‌هاي كوتاه (L/D = 2) براي شعاع‌ها و طول‌هاي متفاوت، شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد كه با كاهش شعاع، دماي ذوب نيز كاهش مي‌يابد. با در نظر گرفتن شعاع‌هاي ثابت و تغيير طول نيز نتيجه‌اي مشابه با آن‌چه گفته شد، حاصل گرديد. علت اين موضوع افزايش نسبت سطح به حجم در هر دو حالت بوده كه با اعمال حرارت، تضعيف پيوندهاي ميان اتم‌ها كه بيش‌تر بر روي سطح قرار دارند موجب تسريع فرآيند ذوب خواهد شد. سازوكار رخ دادن پديده ذوب در نانوسيم‌ها بر اساس تغييرات دو متغير پارامتر مشخصه و كرنش حجمي كل بررسي گرديد. از نتايج هر دو مطالعه، اين موضوع برداشت مي‌شود كه با كاهش شعاع نانوسيم به زير 5 نانومتر، صفحه مشترك فازي تشكيل نمي‌گردد و فرآيند ذوب به صورت ناگهاني و آني صورت خواهد گرفت. اثر وجود حفره در ساختار نانوسيم نيز مورد تحقيق قرار گرفت. با توجه به محدوديت مدل متقارن محوري دوبعدي در ايجاد يك حفره كروي‌شكل و هم‌چنين عدم امكان رشد حفره در اين مدل، تغييرات شعاع حفره و هم‌چنين موقعيت قرارگيري آن در نانوسيم نشان داد كه وجود اين عيب هندسي تاثيري بر روي دماي ذوب نخواهد داشت. اعتبارسنجي نتايج حاصل شده از شبيه‌سازي‌ها بر اساس مشاهدات ديناميك مولكولي پژوهش‌هاي پيشين و مدل ترموديناميكي جديد ارائه شده در اين پژوهش صورت گرفته است.
چكيده انگليسي :
Based on the very small size of nanowires, they have different properties. These unique properties are used in multiple industries, including electronics, medicine, mechanical engineering etc. In this research, melting temperature in aluminum nanowires according to the phase field method is studied. The phase field method is based on the Ginzburg-Landau equation to evaluate and analyze the instability in a system. In this method, the nanowire energy is considered Helmholtz free energy and includes 4 parts named elastic, double well, thermal and gradient parts which reach its minimum value. According to the melting phenomenon and its phases, a variable named characteristic parameter is defined to show phase status, which is considered one for the solid phase and zero for liquid, and this parameter will change in interface layer between zero and one. To consider mechanical effects in this problem, elasticity equations will be solved with Ginzburg-Landau equation simultaneously. The governing equations are implemented in Comsol software. The axisymmetric, one-fourth and 2D model is considered as model geometry to reduce the calculations' storing space. The simulations are devided into 2 parts based on mechanical effects. In the pure phase field model, a plane strain assumption is considered and only the thermal conditions will apply to the model. The absence of surface energy as a boundary condition causes sudden melting in nanowires at a temperature above bulk melting temperature, which is in contrast with physics in real world. By applying the surface energy, the melting happened gradually from solid phase to liquid one. In phase field model with considering mechanical effects, dimensional analysis and its effects on melting temperature is studied. The simulations with long nanowires (L/D = 10) and short nanowires (L/D = 2) with different radii and lengths showed that by reducing nanowire radius, the melting temperature will be reduced too. Also, by considering a constant radius and using different lengths, the results were the same as before. Increasing surface to volume ratio in both conditions is the cause of these results. Because most atoms are on the nanowires' surfaces, by applying heat to the nanowire, the atomic bonds weaken and melting occurs so quickly. The melting mechanisms based on characteristic parameter and hydrostatic strain are studied. The results showed that by reducing the nanowire radius below 5 nm, the interface layer did not create and sudden melting happened. The presence of voids in nanowire structures is studied. With the limitations of 2D axisymmetric model in creation of spherical voids and also because of void growth disability in this model, changing the void radius and its position showed that the defect did not have any effects on melting temperature. The validation of results is studied based on MD observations and a novel themrdynamic model which is presented in this thesis.
