تعیین خواص الاستیک ارتوتروپیک و مطالعه اثر اندازه نانوصفحات گرافنی یک لایه و دو لایه با استفاده از روش اجزاء محدود اتمی

در مطالعه حاضر، اثر اندازه روی خواص الاستیک نانوصفحات گرافنی نوع آرمیچری یک لایه و دو لایه بررسی شد. به‌منظور حفظ ماهیت گسسته نانوصفحات، با ساختارهای قاب فضایی معادل‏سازی شد و سپس روش المان محدود برای پیش‏بینی خواص الاستیک استفاده گردید. برای تایید نتایج، مقادیر عددی با تحقیقات دیگران مقایسه گردید. بر‌اساس نتایج، تابعیت وابستگی خواص مکانیکی صفحات دولایه به اندازه آنها، اختلاف جزئی نسبت به تابعیت در صفحات یک لایه دارد. همچنین مشخص شد که در هر دو نوع تک لایه و دو لایه، خواص الاستیک در اندازه‌های کوچک نانوصفحه، وابسته به جهت بوده هر چند با افزایش اندازه به سمت ارتوتروپی رفته و با افزایش بیشتر اندازه نانوصفحه، این وابستگی کمتر شده و در نهایت به سمت ایزوتروپی میل می‏کند. در همین رابطه، نتایج نشان داد که در نانوصفحه کوچک ( 𝟑𝟎 å)، مدول‌های یانگ در دو راستا دارای اختلاف حدود 6%، در اندازه بزرگتر (100 å) این اختلاف به حدود 2% رسیده و با بزرگتر شدن نانوصفحه به  این اختلاف به حدود 7/0% کاهش یافته است. بعلاوه، ضرایب پواسون در دو راستای متعامد، در نانوصفحات مربعی یک لایه در ابعاد کوچک ( 10 å)، دارای اختلاف قابل توجه حدود 19% است؛ با رسیدن به اندازه (100 å) اختلاف به حدود 8% رسیده و در نهایت با رسیدن اندازه نانوصفحه به 300 å، اختلاف خیلی کمتر شده و به حدود 1/5% رسیده است. این نتایج عددی نشان می‌دهد که همگرایی به ایزوتروپی در مدول یانگ سریع‌تر از نسبت پواسون رخ داده است.

determination of orthotropic elastic properties and study of size effect of single-layer and double-layer graphene nanoplates using atomic finite element method

this study examines the effect of size on the elastic properties of single-layer and double-layer armchair-type graphene nanoplates. to maintain the discrete nature of the nanoplates, they were modeled using equivalent spatial frame structures, with the finite element method employed to predict their elastic properties. the results were then validated by comparison with previous studies. based on the findings, the mechanical properties of the double-layer nanoplates exhibited a slight difference in size dependence compared to the single-layer sheets. it was also observed that, for both single-layer and double-layer nanoplates, the elastic properties at smaller sizes were direction-dependent. however, as the size increased, the properties transitioned toward orthotropy, and with further enlargement, the dependence diminished, eventually approaching isotropy. specifically, the results showed that for small nanoplates (30 å), the young’s moduli in two directions differed by about 6%. at a larger size (100 å), this difference decreased to around 2%, and at 300 å, it dropped to approximately 0.7%. additionally, poisson’s ratios in the two orthogonal directions for single-layer square nanoplates at smaller sizes (10 å) exhibited a notable difference of 19%. as the size increased to (100 å), this difference reduced to about 8%, and at 300 å, it significantly decreased to about 1.5%. these findings suggest that the convergence to isotropy occurs more rapidly for the young’s modulus compared to poisson’s ratio.