توصيفگر ها :
روش ميدان فاز , نانوسيم‌هاي آلومينيومي , ذوب از سطح , دماي ذوب , انرژي سطح , اثر ابعادي
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
Reducing the size of materials to the nanoscale leads to significant changes in their properties and performance. In this context, the melting temperature of nanostructures is of particular importance, and numerous thermodynamic and atomic studies have been conducted on it. The phase-field method can effectively examine the thermodynamics, kinetics, and structural changes of nanomaterials. In this study, for the first time, the phase-field modeling of the melting phenomenon from the surface of nanowires, specifically aluminum nanowires due to their application in solid fuels and nanocomposites, is carried out. This model includes the Ginzburg-Landau kinetic equation coupled with elasticity equations and the deviatoric melting strain rate equation. The influence of both volumetric and deviatoric melting strains is considered in this study. Additionally, a new model is presented to explain the melting behavior of nanowires under pressure, showing that increasing pressure leads to an increase in the melting temperature, consistent with existing physical observations. The melting simulation of long nanowires with the assumption of plane strain and short nanowires with the assumption of axial symmetry, considering external pressure and without it, was performed isothermally using COMSOL software. For long nanowires, the melting of aluminum nanowires starts from the surface and progresses towards the center. For diameters smaller than a certain threshold, aluminum nanowires enter a pre-melting state before complete melting. Surface and bulk melting temperatures were compared based on the nanowire radius with previous studies. Considering the deviatoric melting strain rate resulted in the creation of a driving force for melting and predicted a lower melting temperature, showing better agreement with molecular dynamics simulations compared to thermodynamic analytical relations. The influence of volumetric and deviatoric melting strains is also acceptable with a maximum difference of 5% compared to molecular dynamics and analytical simulations. Two different melting mechanisms were identified based on the nanowire radius: for radii larger than 5 nm, a solid-liquid interface forms to melt the entire sample. For smaller radii, a complete solid-liquid interface does not appear, and melting occurs relatively homogeneously. For radii smaller than 15 nm, the average melting rate showed an inverse relationship with the radius. The effect of deviatoric melting strain rate on the melting temperature of short nanowires was also investigated, showing a retarding effect on melting for shorter lengths. Additionally, surface tension did not show a practical effect on the melting temperature. It was found that the main factor for melting and the dependency of melting temperature on length is the variable surface energy boundary conditions at the two ends of the nanowire, and without it, the melting temperature would be unphysically independent of length. An increase in the heating rate only increased the melting speed without affecting the melting mechanism. An increase in length in the simulation of short nanowires led to the melting temperature approaching that of long nanowires. The melting temperature of short and long nanowires is significantly reduced compared to the bulk melting temperature.
