Molecular simulation of metal-carbon nanoparticle composites

Molekulare Simulation von Verbundwerkstoffe aus Metallen und Kohlenstoff-Nanoteilchen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-174333
  • Hybrid structures of metals and carbon nanoparticles (CNPs) have received particular attention in various mechanical and electrochemical applications in recent years. Such hybrid structures can be produced by the surface decoration of CNPs, in particular graphene flakes (GPs) and carbon nanotubes (CNTs), with nanoscale clusters of metals such as nickel and platinum. CNP agglomerations and the stability of metal nanoparticles on the surface of CNP are amongst the main issues in the production of such hybrid materials. This work addresses these issues by conducting molecular dynamics (MD) and molecular mechanics (MM) simulations to study the properties of metal-decorated carbonHybrid structures of metals and carbon nanoparticles (CNPs) have received particular attention in various mechanical and electrochemical applications in recent years. Such hybrid structures can be produced by the surface decoration of CNPs, in particular graphene flakes (GPs) and carbon nanotubes (CNTs), with nanoscale clusters of metals such as nickel and platinum. CNP agglomerations and the stability of metal nanoparticles on the surface of CNP are amongst the main issues in the production of such hybrid materials. This work addresses these issues by conducting molecular dynamics (MD) and molecular mechanics (MM) simulations to study the properties of metal-decorated carbon nanoparticles both in isolation and embedded in a metal matrix. Accordingly, this thesis consists of two parts: In the first part of this thesis, we study the conformations of bilayer graphene around Pt nanoparticles which are embedded between the graphene layers. This study aims to address the effect of Pt decoration on the agglomeration behavior of two graphene sheets. These simulations are then analyzed using a continuum model to establish analytical relations between the density and the size of embedded Pt nanoparticles and the effective adhesion properties of the bilayers. With an effective aspect ratio of Pt nanoparticles, excellent agreement between the MD results and the predictions of the mechanical model was obtained, both regarding the energetics of the system and the size of the detachment zone surrounding the embedded nanoparticles. In the second part, we study deformation mechanisms in aluminum metal matrices reinforced by pristine and Ni-decorated CNTs. Our results demonstrate that Ni decoration of CNTs effectively enhances the interfacial strength between CNT and Al. It leads to a significant increase in pull-out force and energy dissipation during CNTs pull-out. Large-scale atomistic simulations of mode I fracture of Al/CNTs composites are performed to investigate the interaction of edge cracks in Al with CNTs. These simulations reveal that CNTs hinder crack propagations and promote dislocation nucleations at the crack tip. Lastly, the Orowan strengthening mechanism is studied by simulation of edge dislocations in Al interacting with pristine and Ni-coated CNTs of different sizes.show moreshow less
  • Hybridstrukturen aus Metallen und Kohlenstoffnanopartikeln (CNPs) haben in den letzten Jahren bei verschiedenen mechanischen und elektrochemischen Anwendungen besondere Aufmerksamkeit erhalten. Solche Strukturen können durch Oberflächendekoration von CNPs, insbesondere Graphen-Flakes (GPs) und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) mit nanoskaligen Clustern von Metallen wie Nickel und Platin hergestellt werden. CNP-Agglomerationen und die Stabilität von Metallnanopartikeln auf der Oberfläche von CNP gehören zu den Hauptproblemen bei der Herstellung solcher Hybridmaterialien. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Problemen, indem sie Molekular dynamik- (MD) und MolekularHybridstrukturen aus Metallen und Kohlenstoffnanopartikeln (CNPs) haben in den letzten Jahren bei verschiedenen mechanischen und elektrochemischen Anwendungen besondere Aufmerksamkeit erhalten. Solche Strukturen können durch Oberflächendekoration von CNPs, insbesondere Graphen-Flakes (GPs) und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) mit nanoskaligen Clustern von Metallen wie Nickel und Platin hergestellt werden. CNP-Agglomerationen und die Stabilität von Metallnanopartikeln auf der Oberfläche von CNP gehören zu den Hauptproblemen bei der Herstellung solcher Hybridmaterialien. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Problemen, indem sie Molekular dynamik- (MD) und Molekular mechaniksimulationen (MM) durchführt, um die Eigenschaften von mit Metall dekorierten Kohlenstoff-Nanopartikeln sowohl isoliert als auch eingebettet in eine Metallmatrix zu untersuchen. Dementsprechend besteht diese Arbeit aus zwei Teilen: Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Konformationen eines zweischichtigen Graphens um Pt Nanopartikel, die zwischen den Graphenschichten eingebettet sind. Das Ziel dieser Studie ist es, den Einfluss der Pt-Abscheidungen auf das Agglomerationsverhalten von zwei Graphenschichten zu untersuchen. Diese Simulationen werden dann mit Hilfe eines Kontinuumsmodells analysiert, um analytische Beziehungen zwischen der Dichte und der Größe der eingebetteten Pt Nanopartikel und den effektiven Adhäsionseigenschaften der Doppelschichten herzustellen. Bei einem effektiven Aspektverhältnis von Pt Nanopartikeln wurde eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den Molecualr dynamik Ergebnissen und den Vorhersagen des mechanischen Modells erzielt sowohl hinsichtlich der Energetik des Systems als auch der Größe der Ablösezone, die die eingebetteten Nanopartikel umgibt. Im zweiten Teil untersuchen wir Verformungsmechanismen in Aluminium-Metall-Matrizen, die durch unberührte und mit Ni-Dekor versehene CNTs verstärkt werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ni-Einbettung von CNTs die Grenzflächenfestigkeit zwischen CNT und Al wirksam erhöht. Sie führt zu einer signifikanten Erhöhung der Auszugskraft und der Energiedissipation beim Herausziehen von CNTs. Atomistische Simulationen in großem Maßstab des Modus-I-Bruchs von Al/CNT-Verbundwerkstoffen werden durchgeführt, um die Wechselwirkung von Kantenrissen in Al mit CNTs zu untersuchen. Diese Simulationen zeigen, dass CNTs die Rissausbreitung behindern und Versetzungskeimbildungen an der Rissspitze fördern. Schließlich wird der Orowan-Verfestigungsmechanismus durch Simulation von Randversetzungen in Al untersucht, die mit unberührten und Ni-beschichteten CNTs unterschiedlicher Größe interagieren.show moreshow less

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Metadaten
Author:Samaneh NasiriORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-174333
Referee:Michael Zaiser, Qianqian Li
Advisor:Michael Zaiser
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2021
Date of online publication (Embargo Date):2021/10/28
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2021/06/25
Release Date:2021/11/02
Tag:Aluminium; Molecular dynamics simulation; Nickel; Platinum; atomistic simulation; carbon nanoparticle; emperical potentials; graphene; lightweight metallic composites; mechanical properties; metal-carbon interface; strengthening mechanisms in metallic alloys
Length/size:184 pages
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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