Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử trong tính toán ứng xử cơ học của vật liệu nano

Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội do TS. Nguyễn Danh Trường làm chủ nhiệm, đã thực hiện đề tài: “Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử trong tính toán ứng xử cơ học của vật liệu nano trong thời gian từ năm 2017 đến 2019”.

Mục tiêu của đề tài là xác định các hằng số đàn hồi và nghiên cứu ứng xử cơ học như đường cong liên hệ giữa nội lực, ứng suất và biến dạng, cơ chế phá hủy... của vật liệu nano chịu tải trọng kéo, uốn. Vật liệu nano Phosphorene, Boron nitride được chọn để nghiên cứu. Bên cạnh cấu trúc lý tưởng, đề tài cũng nghiên cứu ảnh hưởng của khuyết tật tới ứng xử cơ học của các tấm và ống vật liệu nano. Đề tài này tiếp tục xây dựng và phát triển chương trình tính mô phỏng số sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn nguyên tử (AFEM) để phục vụ các hoạt động nghiên cứu và giảng dạy tại cơ quan chủ trì đề tài.

Sau 2 năm nghiên cứu, đề tài đã thu được các kết quả sau: 

- Đã xây dựng được bộ chương trình mô phỏng số cho vật liệu nano. Chương trình cho phép đầu vào là các hằng số độ cứng liên kết nguyên tử (thông số các hàm thế tương tác), các thông số cấu trúc hình học nguyên tử. Trên cơ sở mô phỏng các thí nghiệm kéo và uốn vật liệu, từ đó chương trình đưa ra các kết quả về biến dạng và ứng suất của các vật liệu đó.

- Bên cạch tấm Black Phosphorene lý tưởng, nhóm nghiên cứu đã khảo sát 7 loại khuyết tật khác nhau (SW1, SW2, SV1, SV2, DV1, DV2 và DV3). Ảnh hưởng của các khuyết tật đó tới giá trị mô đun đàn hồi, tới ứng suất, biến dạng tới hạn và cơ chế phá hủy của tấm vật liệu Black Phosphorene đã được khảo sát và đưa ra.

- Đã đưa ra các đặc trưng của ống boron nitride khi bị uốn như: mô men uốn tới hạn, góc uốn tới hạn thay đổi theo kích thước chiều dài ống… Từ đó có thể đưa ra được chiều dài ống tối thiểu cần thiết khi muốn uốn ống BN thành một vòng tròn có bán kính cho trước mà ống không bị phá hủy. Bên cạnh ống BN lý tưởng, ảnh hưởng của khuyết tật khi uốn ống BN cũng đã được khảo sát.

- Ảnh hưởng của kích cỡ (size effect) tới đặc trưng cơ học của ống BN cũng đã được nghiên cứu.

- Đề tài đã xây dựng được chương trình tính gồm các bộ code được lập trình để tính toán đặc trưng cơ học của các tấm vật liệu nano dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn nguyên tử (AFEM).

Kết quả của đề tài này là thông tin tham khảo cho các nhà nghiên cứu chế tạo và sản xuất các vật liệu nano trong tương lai.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16201/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ quốc gia.

N.P.D (NASATI