Effects of coating on the mechanical and acoustic properties of nanoporous metals

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2019
Yazarlar
Yıldız, Yunus Onur
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Son yıllarda ümit vaad eden fiziksel ve kimyasal özellikleriyle araştırmacıların ilgi odağında olan nano-gözenekli metal malzemeler bu tezin konusunu oluşturmaktadır. Buna göre tez kapsamında, farklı bir metal malzeme ile kaplama yapılmış nano-gözenekli metal malzemelerin mekanik özellikleri ve ses dalgalarına verdiği cevaplar, yeni ve özgün bir sayısal atomik modelleme tekniği kullanılarak moleküler dinamik (MD) simülasyonları vasıtasıyla incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, kaplama etkisinin detaylı bir şekilde incelenebilmesi için farklı kaplama kalınlığı ve malzemesinin kullanıldığı değişik varyasyonlardaki atomsal modeller hazırlanarak farklı şekil değiştirme oranlarında uygulanan farklı mekanik yüklemeler (çekme, basma, kesme) ve belli bir frekans aralığında gönderilen ses dalgaları göz önüne alınmıştır ve kaplama yapılmış nano-gözenekli malzemenin mekanik davranışını belirleyen deformasyon mekanizmaları ve Young modülü, çekme mukavemeti gibi mekanik özelliklerinin yanı sıra, ses dalgalarının malzemeye olan etkisi de belirlenmiştir. Nano-köpük malzemeler, nano ölçekte hücresel boşlukları olan gözenekli malzemelerdir. Gözenek çapları 1-100 nm arasında değişmektedir. Nano-köpük malzemelerin en önemli özelliği sahip oldukları nano-gözenek yapısı itibariyle yüzey alanı-hacim oranının çok yüksek olmasıdır. Malzeme tipine ve gözenek büyüklüğü ve topolojisine bağlı olarak nano-köpük malzemeler çok farklı mühendislik alanlarında yüksek kullanım potansiyeline sahiptirler. Katalizasyon, yüzeye tutunma (absorption), ayırma (separation), biyolojik molekül saklama ve saflaştırma, çevre kirliliği kontrolü, kimyasal sensör uygulamaları gibi pek çok uygulamada kullanabilirler. Ayrıca, yarı-yalıtkanlar, mikroelektronik, bataryalardaki elektrot malzemeleri, yakıt hücreleri, süperkapasitör ve optik cihaz geliştirme alanlarında kullanılmak üzere araştırmacıların yoğun ilgisini toplamaktadır. Bunlarla beraber, gözenekli yapıları sayesinde kendilerini oluşturan malzemenin yığın (bulk) malzeme halinden doğal olarak daha hafiftirler, dolayısıyla havacılık ve uzay gibi ağırlık azaltımının çok önemli olduğu alanlarda kullanım potansiyelleri yüksektir. Sayılan ve daha da örnekleri artırılabilecek kullanım alanlarında, nano-köpük malzemelerin etkin bir şekilde kullanılabilmesi için mekanik özelliklerinin çok iyi bilinmesi ve karakterize edilmesi gerekmektedir. Literatürde, nano-gözenekli malzemelerin mekanik özelliklerinin incelenmesi konusunda hem deneysel hem de sayısal çalışmalar az sayıda mevcuttur. Yüksek yüzey alanına sahip bu malzemelerin başka bir metal malzeme ile kaplanarak mekanik özelliklerindeki değişimin incelenmesi konusunda ise literatürde herhangi bir teorik çalışma bulunmamaktadır. Literatürdeki bu boşluğu gidermek amacıyla bu proje kapsamında, farklı metaller ile kaplanan nano-gözenekli metal malzemelerin mekanik özellikleri atomsal benzetim teknikleri ile incelenmiştir. Laboratuvar ortamında deneylerin hem pahalı hem de ilgili deformasyon mekanizmalarının incelenmesinin zor olması nedeniyle benzetim yoluyla yapılan sayısal deneyler önemli yer tutmaktadır. Sayısal deneylerin yapılabilmesi için gerek duyulan atomik modellerin oluşturulması ise karmaşık nano-gözenek yapıları dolayısıyla oldukça zordur. Literatürde bu alandaki teorik çalışmaların azlığının en önemli sebebi de budur. Karmaşık yapılı nano-gözenekli malzemelerin atomsal modellerinin oluşturulabilmesi için geliştirilmiş yöntemler literatürde mevcuttur. Fakat, bu yöntemlerin hiçbiri kaplama etkisini modellemeye elverişli değildir. Bu projede geliştirilen yeni ve özgün bir yöntemle nano-gözenekli malzemelerin farklı bir malzeme ile kaplanmış durumdaki atomsal modellerinin edilmesi sağlanmıştır ve literatüre bu konuda önemli bir katkı sağlanmıştır. Bu tezdeki araştırma çalışmaları genel olarak üç aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada nano köpük malzeme yapısı için özgün bir yöntem kullanılarak atomsal model oluşturulması için gerekli algoritmalar geliştirilmiş ve gerekli kod yazılımları gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen bu yöntemle nano-köpük yapısını oluşturan gözeneklerin büyüklükleri ile bu gözenekleri çevreleyen ligamentlerin kesit alanı büyüklükleri doğrudan kontrol altında tutulmuştur. Buna ilaveten, geliştirilen bu yöntem ile nano-gözeneklerin farklı bir malzeme ile kaplanması durumundaki sayısal model de kolaylıkla oluşturulabilmektedir. Bu aşamadaki nihai hedef, ikinci ve üçüncü aşamada gerçekleştirilecek moleküler dinamik simülasyonları için gerekli olan rastgele yapıdaki nano köpük modellerine ait atom koordinatlarının üretilmesidir. Projenin ikinci aşamasında ise, üretilen atomsal modellerdeki boşluk oranı, ligament uzunluğu ve kesit genişliği, kaplama malzemesinin tipi ve kalınlığı gibi parametreler değiştirilerek, uygulanan çeşitli yüklemeler sonrasında nano-köpük yapısında oluşan deformasyon mekanizmaları moleküler dinamik benzetimleriyle nano ölçekte incelenmiştir. Böylelikle, farklı bir malzeme ile kaplanan nano-gözenekli malzemelerin mekanik davranışlarında görülebilecek değişiklikler, farklı parametrelerin etkisi göz önüne alınarak incelenebilmiştir. Son aşamada ise; daha önce literatürde gerçekleştirilmemiş olan nano-gözenekli malzemelerin akustik incelemesi sayısal olarak yapılarak, ses yutum katsayıları hakkında fikir sahibi olunmuştur. Bunu gerçekleştirmek için öncelikle monoatomik (tek elementli) bir gaz ortamında sesin yayılması ve sönümlenmesi moleküler dinamik benzetimleri ile gerçekleştirilmiştir. Daha sonra buradan kazanılan deneyimler ile aynı ortamda yer alan bir nano-gözenekli metalin ses dalgalarına gösterdiği cevap tespit edilmiş ve bu modelin ses yutum katsayısı hesaplanmıştır. Bu sayede, literatüre yapılan katkının yanında kullanım alanı günden güne genişleyen bir malzemenin önemli bir fiziksel özelliği hakkında da bilgi edinilmiş olunmuştur. Bunun dışında daha önceden geliştirilen modelleme tekniği ile kaplamalı nano-gözenekli metallerin de akustik analizi de gerçekleştirilmiştir. Böylelikle literatürde yer almayan kaplanmış nano-gözenekli malzemelerde kaplamanın akustik özelliklere olan etkisi ortaya konmuştur. Çalışmamızda ana malzemeler olarak Platinyum (Pt) ve Gümüş (Ag) ile kaplamalı ve kaplanmamış nano gözenekli altın malzemeler incelenmiştir. Moleküler dinamik simülasyonları ile kaplamalı ve kaplamasız modellerin çekme, basma ve kayma analizleri yapılarak mekanik davranışları araştırılmıştır. Buna ilave olarak, kaplama malzemesi ve kaplama kalınlığının etkileri de incelenmiştir. Kaplamanın malzemeden bağımsız olarak mekanik özellikleri iyileştirdiği tespit edilmiştir. Çekme test sonuçlarında; platinyum kaplama malzemesi, gümüş kaplamaya oranla mekanik özelliklerde daha fazla iyileştirme sağladığı anlaşılmıştır. Çekme test sonuçlarının aksine basma ve kayma test sonuçları incelendiğinde de gümüş kaplama malzemesinin, platinyum kaplamaya oranla mekanik özelliklerde artış sağladığı anlaşılmıştır. Çekme esnasında, plastik boyun verme ve kırılma ilk olarak çekme yönünde olan ligamentlerde başladığı, bu durum kayma da ise; düzlem içinde uzanan ligamentlerde gözlemlenmiştir. Basma yüklemesinde ise gözeneklerin kapandığı ve ligamentlerin kalınlaştığı gözlemlenmiştir. Genelde yükleme yönündeki ligamentlerde kümeleşen dizilim hataları ve Lomer-Cottrell kilitleri bir sonraki dislokasyon hareketliliğini engellediği ve bunun bir sonucu olarak malzemenin mukavemetini artırdığı anlaşılmıştır. Dizilim hatalarına ve Lomer-Cottrell kilitlerine kaplamalı modellerde daha fazla rastlanılır, bu da doğal olarak daha mukavemetli olmasını sağlar. Ayrıca ligamentlerin başlı başına deformasyonlarının, nano-kabloların deformasyon mekanizmaları ile olan benzerliği de ortaya konulmuştur. Bu çalışma; kaplamalı ve kaplamasız modellerin mekanik özelliklerini ve buna bağlı deformasyon mekanizmalarını anlamada faydalı bir kaynak olmuştur. Akustik analizlere göre, hız ve basınç profilleri, yerel ses emme katsayıları tüm modeller için hesaplanmıştır. Elde edilen bulgular, nano gözenekli malzemelerin yansıtıcı gibi davranmalarına rağmen ses enerjisini simülasyon alanından emdiğini ve enerji yutma oranının nano gözenekli malzemesinin gözenekli yapısına dayandığını göstermektedir. Ek olarak, kaplama malzemeleri de ses enerjisi sönümlemesinde büyük bir rol oynamaktadır. Örneğin, Gümüş kaplamanın, Platinyum kaplama ile karşılaştırıldığında ses seviyesini azaltmak için biraz daha etkili olduğu görülmüştür. Kaplama malzemelerinin farklı kalınlıklarda olmasının ise, ses yutum performansı üzerinde kayda değer bir gelişme sağlamadığı gösterilmiştir. Yerel ses yutum katsayısı grafikleri incelendiğinde; kaplanmamış ve kaplamalı nano gözenekli malzeme modellerinin önünde büyük dalgalanmalar gözükmektedir. Bu dalgalanmalar, nano gözenekli malzeme modelinin boşluk oranı ile paralel bir şekilde artmıştır. Ayrıca, aynı porozitede fakat farklı morfolojik yapıya sahip modellerin akustik davranışlarının karşılaştırılmasında, ses yutum performanslarında kayda değer bir değişme gözlemlenmemiştir. Bununla birlikte, aynı porozite ve morfolojik yapıda fakat farklı malzeme tipine ait modeller karşılaştırıldığında Platinyum'un Altın'a oranla daha fazla ses enerjisini yutma kapasitesine sahip olduğu anlaşılmıştır.
Nanoporous materials are porous materials whose porous structure cells' diameters vary between 1-100 nanometers. Due to their novel structural properties and large interconnected internal surface at the atomistic scale, usage of nanoporous materials is increasing day by day. Having certain nanoscale morphological features they have been employed as sensors, actuators, insulators, electrodes, energy absorbents and also for adsorption and separation in recent years. The interest in studying this class of materials derives from their characteristic high surface-to-volume ratio. In addition, another interesting subject is coating of a nanoporous material with an other functional materials, and it helps to enhance physical or chemical properties of the former. In this thesis, firstly, a new method developed for the generation of periodic atomistic models of coated and uncoated nanoporous metals (NPMs) is presented by examining the thermodynamic stability of coated and uncoated nanoporous structures. The proposed method is mainly based on the Voronoi tessellation technique, which provides the ability to control cross-sectional dimension and slenderness of ligaments as well as the thickness of coating. By the utilization of the method, molecular dynamic (MD) simulations of randomly structured NPMs with coating can be performed efficiently in order to investigate their physical characteristics. In this context, for the purpose of demonstrating the functionality of the method, sample atomistic models of Au/Pt NPMs are generated and the effects of coating and porosity on the thermodynamic stability are investigated by using MD simulations. Based on the results, while it is demonstrated that coating the nanoporous structures slightly decreases the structural stability causing atomistic configurational changes, it is also shown that the stability of the atomistic models is higher at lower porosities. Furthermore, adaptive common neighbour analysis is also performed to identify the stabilized atomistic structure after the coating process, which provides direct foresights for the mechanical behaviour of coated nanoporous structures. Secondly, the mechanical properties of nanoporous gold (np-Au) coated with different ultrathin metallic materials (i.e., platinum and silver) are studied through molecular dynamics simulations. A proposed atomistic modelling technique, which is based on the Voronoi tessellation method providing periodic atomistic specimens, is used for the geometric representation of np-Au structure. Three different coating thickness values are used to examine the role of thickness on the coating performance under tensile loading at a constant strain rate. Several parameters, including Young's modulus, yield, and ultimate strengths, are utilized to compare the mechanical characteristics of coated and uncoated np-Au specimens. Moreover, adaptive common neighbor analyses are performed on the specimens for the purpose of understanding the deformation mechanisms of coated and uncoated nanoporous specimens comprehensively by monitoring the microstructural evolution of the crystal structure of the specimens within the deformation process. As a main finding from the simulations, it is observed that the mechanical properties of np-Au are improved by coating independently of the coating material type. However, enhancements on the yield and ultimate strengths maintained by platinum coating are greater than those provided by the silver coating. Additionally, the compressive and shear properties of nanoporous gold (np-Au) coated with different ultrathin metallic materials (i.e., platinum and silver) are investigated via molecular dynamics simulations. The same atomistic models generated before are used for the geometric representation of coated and uncoated np-Au structures. The role of thickness for the coating performance is examined under compressive and shear loading by comparing the mechanical characteristics of the atomistic models such as Young's modulus, yield, and ultimate strengths. Moreover, adaptive common neighbor analyses are also carried out by monitoring the evolution of the crystal structure of the specimens during the loading process. In this way, the deformation mechanisms of coated and uncoated nanoporous specimens are identified thoroughly. As a key finding from the simulation results, it is observed that the mechanical properties of np-Au are crucially dependent on the type of the coating material. However, a significant improvement on the toughness within the plastic regime is demonstrated for all types of coating materials and loading conditions. Furthermore, the strain rate effects on the tensile and compressive properties of nano-crystalline nanoporous gold (nc-NPAu) are also investigated by performing molecular dynamics simulations. In order to examine the role of strain rate, atomistic models of nc-NPAu structures with three different grain size are generated through a novel modeling technique based on the Voronoi tessellation method. Additionally, adaptive common neighbor analysis (aCNA) is carried out to observe the evolution of the crystal structure. In this way, the deformation mechanisms of nc-NPAu atomistic models are investigated thoroughly. The findings point out that such mechanical properties as toughness, ultimate and yield strengths grow at increasing strain rates for both tensile and compressive loadings. The elastic moduli of nc-NPAu atomic models have exhibited insignificant changes for the different strain rates. Moreover, this study shows that the deformation mechanism is not only a combination of dislocation movements, grain rotations, and grain boundary sliding but also additionally grain travelling. Finally, acoustical properties of the uncoated and coated (i.e. Platinum and Silver) nanoporous gold are investigated by performing molecular dynamics simulations. The monatomic gas in which the sound waves can propagate is chosen as Argon. The sound wave is generated by using oscillating solid wall. All acoustical analysis are carried out for only one frequency value (i.e. 2.57 GHz) and the acoustic Reynold's number R=0.5. It is demonstrated that the nanoporous specimens placed in front of the propagating sound wave absorb the sound energy although they also act as a reflector. Furthermore, dependence of sound absorption on the porosity of nanoporous material is demonstrated by utilizing different specimens with varied porosities. Findings show that the sound energy absorption capacity can be increased by decreasing the porosity of materials. It is also presented that the type of the coating material directly affects the sound absorption capacity while the coating thickness does not change the sound absorption notably.
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019
Theses (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2019
Anahtar kelimeler
Malzemeler, Mekanik özellikler, Kaplama işlemleri, Nanoparçacıklar, Nanokristaller, Materials, Mechanical properties, Coating processes, Nanoparticles, Nanocrystals
Alıntı