Çok Ölçekli Malzeme Modellemesi

ve c-BN Film Büyütmenin Moleküler

Dinamik Simülasyonu

Sadri ŞEN Atatürk Üniversitesi

Mühendislik Fakültesi

Makine Mühendisliği

Erzurum

Sunu Planı

• Çok Ölçekli Malzeme Modellemesi

• MDS çalışmalar;

– BN filmlerin endüstrideki yeri

– BN yapılar

– Bu çalışmada BN yapılar üzerine yürütülenler

– Sonuç

Çok Ölçekli Malzeme Modellemesi

• Yaşamımızdaki bir çok problem birden fazla zaman ve boyut ölçeğinde aynı anda gerçekleşen olayları içerir;

– Bir mühendislik tasarımındaki kirişin gerilme gerilme- şekil değiştirme ilişkisi

makro denklemlerle iyi açıklanmıştır, Eğer bu kirişte bir çatlak varsa bunu makro denklemler yeterince tanımlanamamaktadır. Daha küçük ölçeklerde incelemeye ihtiyaç vardır. Bu durumda problem birden fazla ölçekte(Çok Ölçekli yaklaşım) aynı anda gerçekleşen olayların incelenmesine dönüşmektedir. – Bir Korozyon olayı, makro boyuttan atomsal boyuta kadar faklı ölçeklerde ve

farklı hızlarda gerçekleşen karmaşık bir endüstriyel problemdir.

– Türbilanslı bir akım içerisindeki bir kanada etkiyen kaldırma ve sürükleme etkileri, sınır tabaka içerisindeki küçük girdapların davranışına bağlıdır.

Çok Ölçekli Malzeme Modellemesi

Martin O. Steinhauser «Computational Multiscale Modeling of Fluids and Solids Theory and Application» Freiburg, Germany,

July 2007

Chinmaya R. Dandekar, Yung C. Shin, International Journal of Machine Tools & Manufacture 57 (2012) 102–121

https://www.llnl.gov/etr/pdfs/08_94.7.pdf

Çatlak Modelleme

a) Başlangıç durumu, b) Çatlak oluşmuş durum

http://www3.nd.edu/~malber/multi_scale_06/cracks.pdf

Çatlak Modelleme

http://web.mit.edu/mbuehler/www/Teaching/LS/lecture_3-multiscale-buehler.pdf

TB-MD-FE birlikteliği

TB/MD ve MD/FE geçiş bölgesi

E. Lidikoris et al., Phys. Rev. Lett. 87, 086104 (2001)

MD/ FE geçiş bölgesi ‘‘handshake region’’

• Enerji ifadesi

http://sws1.bu.edu/parkhs/Papers/parkCMAME2004.pdf

;

f=Ma

Komşu iki atom arasındaki izafi mesafe :

MDS çalışmalar ‘‘Bor ve Bor Esaslı Nano ve Mikroyapıların Sentezlenmesinin

Molekül Dinamiği Simülasyonu’’

(TÜBİTAK: 106M479)

Sadri ŞEN Şakir ERKOÇ

• Bir endüstriyel uygulamada farklı çalışma şartlarına(yüksek sıcaklık, aşınma, korozyon, difüzyon gibi) maruz kalan malzemeler bunların hepsini karşılamayabilir.

– Bu durumda;

• Alaşımlama(istenen bölgeyi veya tüm malzemeyi)

• Yüzey kaplama gibi işlemler uygulanarak istenen özellikli yapılar elde edilir.

c-BN Film Büyütmenin MDS

BN filmlerin endüstrideki yeri

• Bor ve bor bileşimleri(BN-bor nitrür gibi);

– yüksek aşınma,

– yüksek korozyona direnci,

– yüksek ergime sıcaklığı,

– difüzyon bariyeri

nedenleriyle nano, mikro ve makro boyutlu teknolojik uygulamalarda tercih edilmekte ve bu tercih edilirlik artarak devam etmektedir.

h-BN- hekzagonal bor yapılar c-BN kübik bor yapılar (Zinkblend)

BN yapılar

(http://www.ilpi.com/inorganic/structures/zincblende/index.html).

Bu çalışmada BN yapılar üzerine yürütülenler

• MDS; Neden ve nerden?

– Makro ölçekteki sayısal çalışmalarda malzeme özellikleri deneysel çalışmalarla elde edilip, hesaplamalara girdi olarak verilir.

– Eğer;

• Deney imkanı yoksa,

• Maliyeti çok yüksek ise,

• Çok uzun zaman alacaksa

– Bir yol yok mu ki, makro hesaplamalarda kullanılan malzeme özelliklerini hesaplatabilelim?

• MDS buna bir çözüm olabilecektir.

• Bu projedeki çalışmalar, farklı sıcaklıklarda

c-BN yapıların;

– BULK durumları,

– Yüzey özelliği ve

– Film büyütmesi

üzerine yürütülmüştür.

Hesaplamalar sırasında;

• MORS - Sonuç vermedi,

• TERSOFF - bulk hesaplamalar için uygun

• BRENNER - bulk ve yüzey özelliği için uygun

- film büyütmede her zaman sonuç vermediği

STILLINGER-WEBER(SW) – bulk, yüzey özelliği ve film büyütme için uygun

potansiyel fonksiyonları ile yürütülmüştür.

• c-BN için SW ile yürütülen hesaplamalar; I-) c-BN taban yapı üzerine film büyütme çalışmaları, 1, 200, 400, 600, 800 ve 1000 K değerlerinde olmak üzere 6 faklı sıcaklık seviyesinde tekrarlanmıştır.

II-) 4 N ve 4 B; toplam 8 ek atom girişi, 8 ve 40 hareketli atom

8 N ve 8 B; toplam 16 ek atom girişi, 16 ve 48 hareketli

16 N ve 16 B; toplam 32 ek atom girişi, 32 ve 64 hareketli III-) Ek atomlar; - Bir defada -Birer birer ortama bırakıldı

Sonuçlar

• 32 ek atom, bir defada, 1K (B üst-N ek atom)

• 32 ek atom, bir defada, 300K (B üst-N ek atom)

• 32 ek atom, bir defada, 1K (N üst-B ek atom)

• 32 ek atom, bir defada, 300K (N üst-B ek atom)

• 32 ek atom, birer birer, 1K (B üst-N ek atom)

• 32 ek atom, birer birer, 300K (B üst-N ek atom)

• 32 ek atom, birer birer, 1K (N üst-B ek atom)

• 32 ek atom, birer birer, 300K (N üst-B ek atom)

• 32 ek atom, birer birer, 1200K (N üst-B ek atom)

• 32 ek atom, bir defada, 1K (B üst- N-B ek atom)

• 32 ek atom, bir defada, 300K (B üst - N-B ek atom)

Sonuç

• Tüm bu çalışmalar; – ek atom sayısının, – ek atomların aynı veya farklı cins olması – ek atomların sisteme bırakılış şeklinin(birer birer veya

bir defada), – çalışma sıcaklığının ve çalışma sıcaklığının oluşturulma

şeklinin(sıcaklık artımıyla ve sıcaklık artırımsız) – ek atomların sisteme bırakılmasından önce taban

malzemeye ön bir MDS işleminin uygulanmasının oluşturulan yapıyı önemli derecede etkilediği tespit edilmiştir.