BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
HỆ THỐNG THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Lọc theo danh mục
  • Năm xuất bản
    Xem thêm
  • Lĩnh vực
liên kết website
Lượt truy cập
 Lượt truy cập :  24,470,855
  • Công bố khoa học và công nghệ Việt Nam

61

Vật liệu tiên tiến

BB

Le Tien Thinh, Duong Thanh Huan, Dương Thành Huân(1)

Đặc tính cơ học của vật liệu silica vô định hình và sự hình thành hạt nano thông qua phương pháp tính toán

Mechanical c-haracterization of amorphous silica material and nanoparticle formation via computational approach

Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải

2025

4

583-596

1859-2724

Tính chất cơ học, Tenxơ đàn hồi, Hạt nano, Động lực học phân tử, Silica vô định hình, Vật liệu đẳng hướng

Mechanical properties, Elasticity tensor, Nanoparticles, Molecular dynamics, Amorphous silica, Isotropic material

Silica vô định hình được sử dụng rộng rãi trong các vật liệu tiên tiến và nanocomposite do các tính chất cơ học và cấu trúc độc đáo của nó. Việc hiểu được hành vi cơ học của nó và các đặc điểm của các hạt nano silica là điều cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Nghiên cứu này điều tra về mặt số các tính chất cơ học của vật liệu silica vô định hình và sự hình thành các hạt nano silica bằng cách sử dụng mô phỏng Động lực học phân tử (MD). Silica vô định hình được tạo ra từ một cấu trúc tinh thể thông qua quy trình nóng chảy và làm nguội. Để xác định các tính chất cơ học của nó, sáu thử nghiệm cơ học ảo được thực hiện để tính toán tenxơ đàn hồi biểu kiến, từ đó các mô đun đàn hồi được trích xuất thông qua phép chiếu đẳng hướng. Kết quả chỉ ra rằng silica vô định hình thể hiện hành vi cơ học gần như đẳng hướng, với độ cứng cao được đặc trưng bởi mô đun khối là 36,84 GPa, mô đun cắt là 30,49 GPa, mô đun Young là 71,69 GPa và tỷ số Poisson là 0,18. Ngoài ra, nghiên cứu còn khám phá sự hình thành các hạt nano silica có bán kính 1,5 nm, 3,0 nm và 4,8 nm. Phân tích cho thấy độ nhám bề mặt tăng khi kích thước hạt nano giảm, điều này có thể có ý nghĩa đối với các tương tác giao diện trong vật liệu composite. Những phát hiện này góp phần vào việc hiểu biết về hành vi cơ học của silica vô định hình và ứng dụng tiềm năng của nó như một vật liệu nano gia cố trong vật liệu composite polyme.

Amorphous silica is widely used in advanced materials and nanocomposites due to its unique mechanical and structural properties. Understanding its mechanical behavior and the c-haracteristics of silica nanoparticles is essential for optimizing their performance in various applications. This study numerically investigates the mechanical properties of amorphous silica material and the formation of silica nanoparticles using Molecular Dynamics (MD) simulations. Amorphous silica is generated f-rom a crystalline structure through a melt-and-quench procedure. To determine its mechanical properties, six virtual mechanical tests are performed to compute the apparent elasticity tensor, f-rom which the elastic moduli are extracted via an isotropic projection. The results indicate that amorphous silica exhibits nearly isotropic mechanical behavior, with high stiffness c-haracterized by a bulk modulus of 36.84 GPa, a shear modulus of 30.49 GPa, a Young’s modulus of 71.69 GPa, and a Poisson’s ratio of 0.18. Additionally, the study explores the formation of silica nanoparticles with radii of 1.5 nm, 3.0 nm, and 4.8 nm. The analysis reveals that surface roughness increases as nanoparticle size decreases, which may have implications for interfacial interactions in composite materials. These findings contribute to the understanding of amorphous silica’s mechanical behavior and its potential application as a reinforcing nanomaterial in polymer composites.

TTKHCNQG, CVv 287

Xem toàn văn
  • [1] J. Choi, H. Shin, S. Yang, M. Cho (2015), The influence of nanoparticle size on the mechanical properties of polymer nanocomposites and the associated interphase region: A multiscale approach,Composite Structures
  • [2] S. Yu, S. Yang, M. Cho (2009), Multi-scale modeling of cross-linked epoxy nanocomposites,Polymer
  • [3] V. Marcadon, D. Brown, E. Hervé, P. Mélé, N. D. Albérola, A. Zaoui (2013), Confrontation between Molecular Dynamics and micromechanical approaches to investigate particle size effects on the mechanical behaviour of polymer nanocomposites,Computational Materials Science
  • [4] D. Surblys, Y. Kawagoe, M. Shibahara, T. Ohara (2019), Molecular dynamics investigation of surface roughness scale effect on interfacial thermal conductance at solid-liquid interfaces,Journal of Chemical Physics
  • [5] Y. Takato, M. E. Benson, S. Sen (2018), Small nanoparticles, surface geometry and contact forces,Proceedings of the Royal Society A
  • [6] H. Mei, Y. Yang, A. C. T. van Duin, S. B. Sinnott, J. C. Mauro, L. Liu, Z. Fu (2019), Effects of water on the mechanical properties of silica glass using molecular dynamics,Acta Materialia
  • [7] S. C. Chowdhury, E. A. Wise, R. Ganesh, J. W. Gillespie (2019), Effects of surface crack on the mechanical properties of Silica: A molecular dynamics simulation study,Engineering Fracture Mechanics
  • [8] T. Hao, Z. M. Hossain (2019), Atomistic mechanisms of crack nucleation and propagation in amorphous silica,Physical Review B
  • [9] T. Deschamps, J. Margueritat, C. Martinet, A. Mermet, B. Champagnon (2014), Elastic Moduli of Permanently Densified Silica Glasses,Scientific Reports
  • [10] L. B. Freund, S. Suresh (2004), Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution,
  • [11] V. Marcadon (2005), Effets de taille et d’interphase sur le comportement mécanique de nanocomposites particulaires,phdthesis
  • [12] D. Brown, V. Marcadon, P. Mélé, N. D. Albérola (2008), Effect of Filler Particle Size on the Properties of Model Nanocomposites,Macromolecules
  • [13] S. C. Cowin, M. M. Mehrabadi (1992), The structure of the linear anisotropic elastic symmetries,Journal of the Mechanics and Physics of Solids
  • [14] J. Guilleminot, C. Soize (2012), Generalized stochastic approach for constitutive equation in linear elasticity: a random matrix model,International Journal for Numerical Methods in Engineering
  • [15] C. Soize (2008), Tensor-valued random fields for meso-scale stochastic model of anisotropic elastic microstructure and probabilistic analysis of representative volume element size,Probabilistic Engineering Mechanics
  • [16] K. Vollmayr, W. Kob, K. Binder (1996), Cooling-rate effects in amorphous silica: A computer-simulation study,Physical Review B
  • [17] S. Nosé (1984), A unified formulation of the constant temperature molecular dynamics methods,Journal of Chemical Physics
  • [18] H. Scholze (1991), Glass: nature, structure, and properties,
  • [19] W. Gonçalves, J. Morthomas, P. Chantrenne, M. Perez, G. Foray, C.L. Martin (2016), Molecular dynamics simulations of amorphous silica surface properties with truncated Coulomb interactions,Journal of Non-Crystalline Solids
  • [20] A. Carré, L. Berthier, J. Horbach, S. Ispas, W. Kob (2007), Amorphous silica modeled with truncated and screened Coulomb interactions: A molecular dynamics simulation study,Journal of Chemical Physics
  • [21] B. W. H. van Beest, G. J. Kramer, R. A. van Santen (1990), Force fields for silicas and aluminophosphates based on ab initio calculations,Physical Review Letters
  • [22] S. Tsuneyuki (1996), Molecular dynamics simulation of silica with a first-principles interatomic potential,Molecular Engineering
  • [23] S. Plimpton (1995), Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics,Journal of Computational Physics
  • [24] D. Frenkel, B. Smit (2001), Understanding Molecular Simulation: F-rom Algorithms to Applications,
  • [25] A. Satoh (2010), Introduction to Practice of Molecular Simulation: Molecular Dynamics, Monte Carlo, Brownian Dynamics, Lattice Boltzmann and Dissipative Particle Dynamics,
  • [26] D. C. Rapaport (2004), The Art of Molecular Dynamics Simulation,
  • [27] W. K. Liu, E. G. Karpov, H. S. Park (2006), Nano Mechanics and Materials: Theory, Multiscale Methods and Applications,
  • [28] K. Binder (1995), Monte Carlo and Molecular Dynamics Simulations Polymer,
  • [29] M. P. Allen, D. J. Tildesley (1989), Computer Simulation of Liquids,
  • [30] O. Oguz, N. Candau, S. H. F. Bernhard, C. K. Soz, O. Heinz, G. Stochlet, C. J. G. Plummer, E. Yilgor, I. Yilgor, Y.Z. Menceloglu (2019), Effect of surface modification of colloidal silica nanoparticles on the rigid amorphous fraction and mechanical properties of amorphous polyurethane–urea–silica nanocomposites,Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry
  • [31] H. K. Issa, A. Taherizadeh, A. Maleki (2020), Atomistic-level study of the mechanical behavior of amorphous and crystalline silica nanoparticles,Ceramics International
  • [32] F. Yuan, L. Huang (2013), Size-dependent elasticity of amorphous silica nanowire: A molecular dynamics study,Applied Physics Letters
  • [33] F. Yuan, L. Huang (2012), Molecular dynamics simulation of amorphous silica under uniaxial tension: F-rom bulk to nanowire,Journal of Non-Crystalline Solids
  • [34] T. Vo, B. Reeder, A. Damone, P. Newell (2020), Effect of Domain Size, Boundary, and Loading Conditions on Mechanical Properties of Amorphous Silica: A Reactive Molecular Dynamics Study,Nanomaterials
  • [35] Y. Jing, Q. Meng (2010), Molecular dynamics simulations of the mechanical properties of crystalline/amorphous silicon core/shell nanowires,Physica B: Condensed Matter
  • [36] A. Papon, K. Saalwächter, K. Schäler, L. Guy, F. Lequeux, H. Montes (2011), Low-Field NMR Investigations of Nanocomposites: Polymer Dynamics and Network Effects,Macromolecules
  • [37] J. Berriot, F. Lequeux, L. Monnerie, H. Montes, D. Long, P. Sotta (2002), Filler–elastomer interaction in model filled rubbers, a 1H NMR study,Journal of Non-Crystalline Solids
  • [38] H. L. Quang, Q. C. He (2008), Variational principles and bounds for elastic inhomogeneous materials with coherent imperfect interfaces,Mechanics of Materials
  • [39] H. K. Issa, A. Taherizadeh, A. Maleki (2020), Atomistic-level study of the mechanical behavior of amorphous and crystalline silica nanoparticles,Ceramics International
  • [40] N. H. Khdary, M.E. Abdelsalam (2020), Polymer-silica nanocomposite membranes for CO2 capturing,Arabian Journal of Chemistry
  • [41] J. L. Gurav, I. K. Jung, H. H. Park, E. S. Kang, D. Y. Nadargi (2010), Silica Aerogel: Synthesis and Applications,Journal of Nanomaterials
  • [42] K. Nadeem, F. Zeb, M. Azeem Abid, M. Mumtaz, M. Anis ur Rehman (2014), Effect of amorphous silica matrix on structural, magnetic, and dielectric properties of cobalt ferrite/silica nanocomposites,Journal of Non-Crystalline Solids
  • [43] H. K. Issa, A. Taherizadeh, A. Maleki, A. Ghaei (2017), Development of an aluminum/amorphous nanoSiO2 composite using powder metallurgy and hot extrusion processes,Ceramics International