Atomistic simulations and modeling techniques are providing a new tool in the study of the mechanics of materials such as initiation and propagation of crack, evolution of dislocation, and phase transformation in materials. In this study, numerical testing that measures the strength and elastic modulus of material is conducted to investigate the mechanical properties of nanostructures with grain boundary (GB) with the aid of atomistic simulation.
Molecular dynamics simulation is performed to demonstrate the dependence of strength of polycrystalline graphene on misorientation angle. We investigate the ultimate strengths and failure types of asymmetric tilt GBs with various tilt angles with the aid of molecular dynamics simulations and analytic theory. The tensile strength of armchair-oriented graphene GBs shows a tendency to increase as the misorientation angle rises, while that of zigzag-oriented graphene GBs non-monotonically increases. The overall strength enhancement and weakening behaviors can be explained by a continuum stress analysis of pentagon-heptagon defects along GBs. Nevertheless, full atomistic analyses are required to predict the exact bonds from which mechanical failure initiate. Two different fracture types are observed in our studies; one with cracks growing along the GB and another with cracks growing away from the GB. Detailed understanding of the atomic arrangement and orientation along the GB, in addition to defect density, is necessary to ascertain the ultimate strength and rupture process of GBs.
Next, molecular dynamics based on quasicontinuum method is developed for a simulation of nanoindentation of graphene. To reduce total degrees of freedom, a simulation domain is categorized into two parts: a region of finite element mesh called local region and a region of full atomistic domain called nonlocal region. For local region, Cauchy-born rule is utilized to reproduce the atomic configuration with the aid of the coarse-graining scheme based on the quasicontinuum method. As an application of the coarse grained model, the strength and stiffness of graphene is measured by nanoindentation simulation. The accuracy of the theoretical model is verified through comparison of the coarse-grained model results with MD simulation results. In addition, large-scale nanoindentation simulations with coarse grained models are conducted to obtain the mechanical behaviors and is compared with experimental results.
원자스케일 전산모사 및 모델링 기술은 재료 내의 균열 진전과 전위의 이동 그리고 상 변화의 메커니즘을 규명하는데 이용되고 있다. 본 연구에서는 원자 스케일 전사모사를 통하여 재료의 기계적 강도 및 탄성계수를 계산하였으며, 결정립 경계가 기계적 물성에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구의 주안점은 최근 각광받고 있는 나노 소재를 대상으로 원자수준 해석 기법을 통하여 기계적인 물성을 얻음과 동시에 기계적인 변형에 영향을 주는 결함 거동의 메커니즘을 분석하여 기계적 물성에 미치는 영향을 평가하는 연구를 수행하였다. 나노 소재로는 그래핀(graphene)을 이용하였으며, 이의 물성을 계산하기 위하여 단축인장 및 나노인덴테이션 전산모사를 수행하여 기계적 물성을 계산하였다.
연구를 통하여 결정립 각도에 따른 다결정 그래핀의 강도를 측정하였으며, 결함으로 인하여 그래핀의 강도가 저하됨을 알 수 있었다. 하지만 결정립 경계(grain boundary) 내의 결함이 많으면 많을수록 강도가 증가하는 경향은 기존의 연속체 역학 관점에서는 이해하기 어려운 부분이다. 이러한 결함의 밀도와 강도와의 관계를 알아보기 위하여, 결정립 각도(misorientation angle)에 따른 초기응력(pre-stress)에 대한 평가를 수행하였다. 원자해석으로부터 얻은 초기응력의 타당성을 검증하기 위하여 연속체 역학으로부터 유도된 Disclination dipole 모델을 통하여 결함의 위치와 결함들의 방향성에 따른 초기응력을 평가하였으며, 연속체 모델과 원자해석 모델로부터 얻은 초기응력이 상당히 유사함을 알 수 있었다. 그리고 이로부터 결정립 경계에 결함이 많이 포함될수록 이러한 초기응력이 줄어듦을 알 수 있었다. 초기응력이 작은 경우에는 보다 많은 변형을 견뎌 낼 수 있기 때문에 강도가 증가한다는 결론을 얻었다. 그리고 비대칭 결정립 경계(asymmetric tilt grain boundary) 모델을 통하여 결정립 경계에 존재하는 결함의 밀도 증가뿐만 아니라 결함의 방향을 제어하는 것도 다결정 그래핀의 강도에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
다음으로 결함이 없는 그래핀의 물성을 측정하기 위하여 나노인덴테이션 전산모사를 수행하였다. 본 연구의 목적은 원자수준의 해석 방법을 통하여 실험수준의 크기를 갖는 시편을 해석하고자 함에 있다. 이를 성공적으로 수행하기 위하여 준연속체 방법 기반의 분자동역학 방법을 개발함으로써 효과적으로 자유도를 줄여 계산의 효율성을 증가할 수 있었다. 이를 통하여 그래핀에 가상의 구 인덴터의 변형을 받는 나노인덴테이션 전산모사를 수행하였고, 실험수준의 크기인 마이크로 크기를 갖는 시스템의 전산모사가 가능하였다. 그래핀 내에서 인덴터로 인한 변형이 큰 영역은 nonlocal zone으로 모델을 하였고, 변형이 작은 영역에 대해서는 대표원자(representative node)를 도입한 local zone으로 모델 함으로써 효과적으로 자유도를 줄일 수 있었다. 전산모사의 결과를 바탕으로 그래핀의 탄성계수(Young’s modulus) 및 파단 힘(fracture force)을 계산할 수 있었다. 수치예제를 통하여 실험수준의 크기를 갖는 전산모사에 대하여 효율적인 해석이 가능함을 보였다.
