Tác động của góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy của vật liệu graphene

Chuyên khảo phân tích Hcmute ảnh hưởng góc lượn của đầu vết nứt đến cường độ phá hủy của vật liệu graphene dùng phương, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Nguyễn Minh Kỳ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Cơ khí Chế tạo máy
• Đề tài: Tác động của góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy vật liệu graphene qua mô phỏng động học phân tử
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Tổng quan về vật liệu graphene
• 1.4. Tính chất của vật liệu Graphene
• 1.5. Ứng dụng vật liệu Graphene
• 1.6. Cấu trúc phân tử của vật liệu Graphene
• 1.7. Tổng quan về cơ học phá hủy
• 1.7.1. Biểu đồ ứng suất – chuyển vị
• 1.7.2. Sự hình thành và phát triển vết nứt
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN
• 2.1. Mô hình mô phỏng và phương pháp tính toán
• 2.2. Mô hình mô phỏng hình thành góc lượn đầu vết nứt
• 2.3. Độ bền phá hủy và bán kính góc lượn
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả đạt được
• 3.2. Suất giải phóng năng lượng và cường độ ứng suất tới hạn
• 3.3. Thảo luận đánh giá
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Bài báo tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy vật liệu graphene thông qua mô phỏng động học phân tử (Molecular Dynamics). Vật liệu graphene được chú trọng do tính chất đặc biệt của nó. Nghiên cứu trong nước còn hạn chế, tập trung chủ yếu vào ứng dụng và chế tạo. Nghiên cứu quốc tế phong phú hơn, bao gồm nhiều phương pháp khác nhau. Bài báo nhắc đến một số công trình nghiên cứu quan trọng trong và ngoài nước, làm cơ sở cho nghiên cứu hiện tại. Một số công trình nghiên cứu đáng chú ý bao gồm: "Chế tạo và khảo sát tính chất đặc trưng của graphene" (Huỳnh Trần Mỹ Hòa, 2010) và "Fracture analysis of single layer graphene sheets" (Nguyễn Minh Kỳ, 2016). Mô phỏng động học phân tử được sử dụng để phân tích hành vi phá hủy ở cấp độ nguyên tử. Cường độ phá hủy và góc lượn đầu vết nứt là hai Salient Keyword được tập trung nghiên cứu. Graphene là Salient Entity. Mô phỏng động học phân tử đóng vai trò quan trọng, là Close Entity của phương pháp nghiên cứu.

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về vật liệu graphene ở Việt Nam đang phát triển nhưng còn nhiều hạn chế, đặc biệt trong lĩnh vực cơ học phá hủy sử dụng mô phỏng động học phân tử. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào ứng dụng và chế tạo. Một số nghiên cứu đã được thực hiện như "Chế tạo và khảo sát tính chất đặc trưng của graphene" (Huỳnh Trần Mỹ Hòa, 2010) và "Fracture analysis of single layer graphene sheets" (Nguyễn Minh Kỳ, 2016), nhưng chưa sâu rộng về ảnh hưởng của góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy. Vật liệu graphene là Semantic Entity quan trọng. Cơ học phá hủy là Close Entity mô tả hướng nghiên cứu chính. Thiếu sót lớn là hạn chế nghiên cứu về mô phỏng động học phân tử trong phân tích phá hủy vật liệu graphene ở Việt Nam. Điều này cho thấy sự cần thiết phải mở rộng nghiên cứu trong lĩnh vực này để bắt kịp xu thế quốc tế.

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu về mô phỏng động học phân tử và phá hủy vật liệu ở nước ngoài phát triển mạnh mẽ hơn Việt Nam. Nhiều phương pháp mô phỏng và kết quả nghiên cứu đã được công bố. Các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng mô phỏng động học phân tử để hiểu rõ hơn về cơ chế phá hủy ở cấp độ nguyên tử. Cường độ phá hủy và góc lượn là các Semantic LSI keyword quan trọng. Mô phỏng động học phân tử là Salient LSI keyword, đây là công cụ chính được sử dụng để phân tích hiện tượng. Các nghiên cứu của Bin Zhang, Lanjv Mei, and Haifeng Xiao (2012) và Cengiz Baykasoglu, Ata Mugan (2012) là những ví dụ tiêu biểu. Những nghiên cứu này cung cấp nền tảng lý thuyết và phương pháp luận quan trọng cho nghiên cứu hiện tại. Graphene được xem như Semantic Entity trong các công trình nghiên cứu quốc tế này.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phần này trình bày chi tiết phương pháp mô phỏng động học phân tử được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy vật liệu graphene. Mô hình vật liệu graphene được xây dựng. Các thông số mô phỏng như kích thước mẫu, điều kiện biên, và lực tác động được xác định. Quá trình mô phỏng được thực hiện để quan sát sự phát triển của vết nứt và sự thay đổi của cường độ phá hủy khi thay đổi góc lượn. Mô phỏng động học phân tử là Salient LSI keyword trong phần này. Vật liệu graphene là Salient Entity. Phương pháp này cho phép phân tích hành vi phá hủy ở cấp độ nguyên tử, cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế phá hủy của vật liệu graphene.

2.1 Mô hình mô phỏng

Mô hình vật liệu graphene được xây dựng dựa trên cấu trúc tinh thể tổ ong đặc trưng. Kích thước và hình dạng mẫu được chọn sao cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu. Góc lượn đầu vết nứt được điều chỉnh để khảo sát ảnh hưởng của nó đến cường độ phá hủy. Việc xây dựng mô hình cần tính đến các yếu tố như lực liên kết giữa các nguyên tử carbon và các thông số khác liên quan đến tính chất cơ học của vật liệu graphene. Mô hình này chính là nền tảng để tiến hành mô phỏng động học phân tử. Vật liệu graphene và góc lượn đầu vết nứt là Semantic Entity quan trọng. Mô phỏng động học phân tử là phương pháp phân tích chính, được xem như Close Entity của quá trình nghiên cứu.

2.2 Phương pháp tính toán

Phần này mô tả chi tiết các phương pháp tính toán được sử dụng trong mô phỏng động học phân tử. Các thuật toán và phần mềm được sử dụng để mô phỏng chuyển động của các nguyên tử trong vật liệu graphene. Các thông số như năng lượng, lực, và chuyển vị được tính toán và phân tích. Dữ liệu thu được từ mô phỏng động học phân tử được sử dụng để đánh giá cường độ phá hủy và ảnh hưởng của góc lượn. Mô phỏng động học phân tử là Salient Keyword trong phần này. Cường độ phá hủy là Salient Entity, phản ánh kết quả cuối cùng của quá trình nghiên cứu. Việc lựa chọn phương pháp tính toán chính xác đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

III. Kết quả và thảo luận

Phần này trình bày kết quả mô phỏng động học phân tử và thảo luận về ảnh hưởng của góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy vật liệu graphene. Dữ liệu thu được từ mô phỏng được phân tích và biểu diễn bằng biểu đồ. Mối quan hệ giữa góc lượn và cường độ phá hủy được làm rõ. Các cơ chế phá hủy được thảo luận. Kết quả nghiên cứu được so sánh với các nghiên cứu khác trong lĩnh vực này. Cường độ phá hủy và góc lượn đầu vết nứt là Semantic LSI keyword chủ đạo. Vật liệu graphene là Salient Entity.

3.1 Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng động học phân tử cho thấy mối quan hệ rõ ràng giữa góc lượn đầu vết nứt và cường độ phá hủy vật liệu graphene. Khi góc lượn tăng, cường độ phá hủy giảm. Điều này được giải thích dựa trên cơ chế lan truyền vết nứt. Các biểu đồ và bảng số liệu được sử dụng để minh họa kết quả. Kết quả này cho thấy tầm quan trọng của góc lượn trong việc dự đoán hành vi phá hủy của vật liệu graphene. Cường độ phá hủy và góc lượn đầu vết nứt là các Salient Keyword quan trọng. Vật liệu graphene là Salient Entity cần nghiên cứu.

3.2 Thảo luận và đánh giá

Kết quả nghiên cứu được thảo luận và đánh giá dựa trên các lý thuyết cơ học phá hủy hiện có. Sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng và lý thuyết được phân tích. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của mô phỏng được xem xét. Hạn chế của nghiên cứu được chỉ ra. Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về cơ chế phá hủy của vật liệu graphene. Mô phỏng động học phân tử là Close Entity, phương pháp được sử dụng để thu thập dữ liệu. Cường độ phá hủy là Salient Entity, được sử dụng để đánh giá chất lượng của vật liệu. Việc thảo luận sâu rộng đảm bảo tính khách quan và toàn diện của nghiên cứu.

IV. Kết luận và kiến nghị

Phần này tóm tắt những kết quả chính của nghiên cứu và đưa ra các kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu được nhấn mạnh. Các hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất. Nghiên cứu này đóng góp vào việc hiểu rõ hơn về hành vi phá hủy của vật liệu graphene và có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ vật liệu. Vật liệu graphene là Salient Entity. Cường độ phá hủy là Salient Keyword phản ánh kết quả chính của nghiên cứu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Graphene, một vật liệu nano hai chiều cấu tạo từ một lớp nguyên tử carbon liên kết sp2 theo cấu trúc tổ ong, đã thu hút sự quan tâm lớn trong nghiên cứu vật liệu tiên tiến nhờ tính chất cơ học và điện tử vượt trội. Theo ước tính, graphene có độ bền gấp 200 lần thép và khả năng dẫn điện nhanh hơn đồng đến một triệu lần, đồng thời có độ dày chỉ bằng một phần 200.000 sợi tóc. Tuy nhiên, sự hình thành và phát triển vết nứt trong vật liệu này vẫn là thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ ứng dụng của graphene trong các lĩnh vực như điện tử, composite, và kỹ thuật sinh học.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của góc lượn đầu vết nứt đến cường độ phá hủy của vật liệu graphene đơn lớp (SLGS) bằng phương pháp mô phỏng động học phân tử (Molecular Dynamics - MD). Mục tiêu chính là xây dựng mô hình mô phỏng sự hình thành và phát triển vết nứt, xác định ứng suất lớn nhất tại đầu vết nứt khi hình thành góc lượn, đồng thời so sánh kết quả với các nghiên cứu đã công bố. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2/2018 đến 2/2019 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc dự đoán và kiểm soát quá trình phá hủy vật liệu graphene, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của các sản phẩm ứng dụng graphene, đồng thời hỗ trợ phát triển các mô hình mô phỏng cơ học phá hủy cho vật liệu nano.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ học phá hủy hiện đại, trong đó có:

• Cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic Fracture Mechanics - LEFM): Giúp mô tả mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và sự phát triển vết nứt trong vật liệu. Hệ số cường độ ứng suất (KI) là tham số quan trọng thể hiện mức độ tập trung ứng suất tại đầu vết nứt.
• Cơ học phá hủy lượng tử (Quantized Fracture Mechanics - QFM): Hiệu chỉnh lý thuyết Griffith truyền thống, cho thấy độ bền của vật liệu bị nứt phụ thuộc vào bán kính đầu vết nứt và chiều dài vết nứt.
• Mô hình mạng tinh thể graphene: Cấu trúc tổ ong hai chiều với các liên kết carbon-carbon sp2, khoảng cách liên kết l = 1.38Å, mô đun đàn hồi E = 1.05 TPa, hệ số Poisson ν = 0.186.
• Khái niệm góc lượn (blunting angle) đầu vết nứt: Là góc tù hình thành tại đầu vết nứt khi bond liên kết bị phá vỡ, ảnh hưởng đến sự tập trung ứng suất và khả năng lan truyền vết nứt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng động học phân tử (Molecular Dynamics - MD) kết hợp với các phần mềm nguồn mở:

• Matlab: Viết code tính toán phương trình chuyển vị của các nguyên tử quanh đầu vết nứt dựa trên lý thuyết LEFM.
• LAMMPS: Mô phỏng phản ứng lực và sự chuyển động của các nguyên tử trong tấm graphene đơn lớp kích thước 100x100Å với 4023 nguyên tử, mô hình theo hướng Armchair (AC).
• VMD (Visual Molecular Dynamics): Trực quan hóa quá trình hình thành và phát triển vết nứt, đặc biệt là sự tạo góc lượn tại đầu vết nứt qua các bước tải.

Cỡ mẫu mô phỏng gồm 4023 nguyên tử, lựa chọn kích thước mô hình 100x100Å nhằm đảm bảo độ chính xác và tiết kiệm chi phí tính toán. Phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng MD cho phép đo lường liên tục các tương tác phân tử và lực tác động, từ đó xác định ứng suất tới hạn, biến dạng và suất giải phóng năng lượng của vật liệu.

Thời gian nghiên cứu kéo dài 12 tháng, từ tháng 2/2018 đến 2/2019, với các bước chính: xây dựng mô hình, viết phương trình chuyển vị, mô phỏng MD, phân tích kết quả và so sánh với các nghiên cứu trước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hình thành góc lượn đầu vết nứt: Qua mô phỏng, bán kính cong tại đầu vết nứt tăng từ 1.843Å theo các bước tải, tạo thành góc tù (góc lượn) làm giảm ứng suất tập trung. Bảng 3-1 cho thấy tỷ lệ tăng bán kính cong sau các bước tải đạt khoảng 1.1 lần so với ban đầu.

2. Ứng suất phá hủy tới hạn (KIC): Kết quả mô phỏng MD cho hệ số cường độ ứng suất tới hạn của graphene theo hướng Armchair là 3.2 MPa√m, cao hơn so với một số nghiên cứu trước như FEM (2.63 MPa√m) và các tác giả khác (2.3 - 4.7 MPa√m). Điều này chứng tỏ mô hình MD có độ chính xác cao trong dự đoán độ bền vật liệu.

3. Suất giải phóng năng lượng (Gc): Giá trị suất giải phóng năng lượng tới hạn được xác định là 14.6 J/m², tương đương với các nghiên cứu quốc tế (Mei Xu: 16.3 J/m²), phản ánh khả năng hấp thụ năng lượng khi vết nứt lan truyền.

4. Biến dạng và ứng suất tới hạn: Biến dạng tới hạn εf đạt 0.8%, ứng suất tới hạn σf khoảng 1 GPa theo mô phỏng MD, cao hơn so với các phương pháp khác như Molecular Mechanics (0.27 GPa) hay Quantum Mechanics (0.6 GPa), cho thấy graphene có khả năng chịu tải lớn trước khi phá hủy.

Thảo luận kết quả

Sự hình thành góc lượn tại đầu vết nứt làm giảm đáng kể ứng suất tập trung, từ đó làm chậm quá trình lan truyền vết nứt và tăng độ bền phá hủy của graphene. Kết quả này phù hợp với lý thuyết QFM, nhấn mạnh vai trò của bán kính đầu vết nứt trong cơ chế phá hủy vật liệu nano.

So sánh với các nghiên cứu trước, phương pháp mô phỏng MD cho phép mô tả chi tiết quá trình phá hủy ở cấp độ nguyên tử, cung cấp dữ liệu chính xác hơn so với các phương pháp phần tử hữu hạn hay cơ học lượng tử truyền thống. Biểu đồ ứng suất - biến dạng và bảng so sánh hệ số cường độ ứng suất tới hạn minh họa rõ ràng sự tương thích và ưu việt của phương pháp MD.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc thiết kế và phát triển vật liệu graphene có độ bền cao, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chịu lực và chống nứt gãy như trong kỹ thuật hàng không, điện tử và vật liệu composite.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng: Để bổ sung cho kết quả mô phỏng, cần tiến hành các thí nghiệm thực tế nhằm xác định chính xác cơ chế hình thành góc lượn và ứng suất phá hủy của graphene, giúp hoàn thiện mô hình lý thuyết.

2. Phát triển vật liệu composite graphene: Khuyến khích nghiên cứu tích hợp graphene vào các vật liệu composite để tận dụng tính năng cơ học vượt trội, đồng thời kiểm soát sự phát triển vết nứt trong ứng dụng thực tế.

3. Mở rộng mô phỏng với điều kiện nhiệt độ: Áp dụng phương pháp MD kết hợp ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng và phá hủy vật liệu, nhằm mô phỏng chính xác hơn các điều kiện làm việc thực tế.

4. Ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu: Kết quả nghiên cứu nên được chuyển giao và áp dụng trong giảng dạy sau đại học, đồng thời làm cơ sở cho các nghiên cứu phát triển tiếp theo về vật liệu nano và cơ học phá hủy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Luận văn cung cấp dữ liệu và mô hình mô phỏng chi tiết về cơ chế phá hủy graphene, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu nano.

2. Kỹ sư thiết kế vật liệu composite: Thông tin về ảnh hưởng góc lượn đầu vết nứt giúp cải thiện thiết kế vật liệu composite có thành phần graphene, nâng cao độ bền và tuổi thọ sản phẩm.

3. Giảng viên và sinh viên sau đại học: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho các khóa học về cơ học vật liệu, mô phỏng động học phân tử và kỹ thuật vật liệu tiên tiến.

4. Doanh nghiệp công nghệ cao: Các công ty phát triển sản phẩm dựa trên graphene có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp mô phỏng động học phân tử (MD) là gì?
   MD là kỹ thuật mô phỏng chuyển động và tương tác của các nguyên tử, phân tử theo thời gian thực, giúp dự đoán tính chất cơ học và quá trình phá hủy ở cấp độ nguyên tử. Ví dụ, trong nghiên cứu này, MD mô phỏng sự hình thành và phát triển vết nứt trên tấm graphene.

2. Góc lượn đầu vết nứt ảnh hưởng thế nào đến độ bền vật liệu?
   Góc lượn làm giảm ứng suất tập trung tại đầu vết nứt, từ đó làm chậm quá trình lan truyền vết nứt và tăng độ bền phá hủy. Mô phỏng cho thấy bán kính cong đầu vết nứt tăng lên làm giảm ứng suất tới hạn.

3. Tại sao chọn kích thước mô hình 100x100Å?
   Kích thước này đủ lớn để mô phỏng chính xác cơ chế phá hủy trong graphene, đồng thời tiết kiệm chi phí tính toán. Đây cũng là kích thước phổ biến được nhiều nghiên cứu quốc tế sử dụng.

4. Kết quả mô phỏng có thể áp dụng trong thực tế không?
   Mặc dù kết quả chủ yếu từ mô phỏng, chúng cung cấp cơ sở lý thuyết quan trọng để thiết kế vật liệu graphene bền hơn. Tuy nhiên, cần thí nghiệm thực tế để kiểm chứng và hoàn thiện mô hình.

5. Phương pháp MD có hạn chế gì?
   MD tính toán dựa trên mô hình tương tác phân tử ước lượng, có thể không phản ánh hoàn toàn các hiện tượng phức tạp trong vật liệu thực tế, đặc biệt khi có ảnh hưởng của nhiệt độ hoặc các khuyết tật lớn.

Kết luận

• Mô hình Molecular Dynamics đã thành công trong việc mô phỏng quá trình hình thành và phát triển vết nứt, đặc biệt là ảnh hưởng của góc lượn đầu vết nứt đến độ bền phá hủy của graphene đơn lớp.
• Độ bền phá hủy của graphene phụ thuộc rõ rệt vào hình dạng đầu vết nứt và hướng tinh thể (Armchair hoặc Zigzag).
• Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số cường độ ứng suất tới hạn và suất giải phóng năng lượng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, khẳng định tính chính xác của phương pháp.
• Nghiên cứu đề xuất ba cơ chế phá hủy chính và chứng minh sự hình thành góc lượn đàn hồi tại đầu vết nứt có vai trò quan trọng trong cơ chế phá hủy.
• Các bước tiếp theo bao gồm thực nghiệm kiểm chứng, mở rộng mô phỏng với điều kiện nhiệt độ và phát triển ứng dụng trong vật liệu composite graphene.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư ứng dụng kết quả này để phát triển vật liệu graphene bền hơn, đồng thời triển khai thí nghiệm thực tế nhằm hoàn thiện mô hình mô phỏng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam hiện nay khi nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano thì không còn mới lạ nữa mà vấn đề này đang được nghiên cứu rất nhiều, liên tiếp thời gian qua, ngành khoa học công nghệ Việt Nam đón nhận những tin vui. Hiện tại, trong nước ta cũng có rất nhiều đề tài về nghiên cứu vậy liệu Graphene, nhưng theo nhiều hướng khác nhau như: ứng dụng, chế tạo, độ bền cơ học, … Lĩnh vực cơ học mô phỏng dự đoán về vật liệu nano là lĩnh vực mới và nghiên cứu phức tạp cho nên kết quả nghiên cứu trong nước vô cùng khan hiếm, đặt biệt về lĩnh vực cơ học phá hủy dùng phương pháp mô phỏng động học phân tử càng hiếm hoi hơn. Theo thông tin mà chúng tôi có được, thể hiện qua các công bố sau: 1- Huỳnh Trần Mỹ Hòa. Chế tạo và khảo sát tính chất đặc trưng của graphene, Đại học khoa học tự nhiên Tp Hồ Chí Minh, 2010.

2- Pascal aubertin, Julien réthoré. A molecular dynamics / extended finite element method for dynamic crack propagation. Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol. 3- Nguyễn Minh Kỳ.

Fracture analysis of single layer graphene sheets. Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 36A, pp10-17, 3-2016. 4- Vương Văn Thanh, Đỗ Văn Trường. Mô phỏng quá trình phát triển của vết nứt ở điều kiện tải trọng mixed mode bằng phương pháp XFEM, Hội nghị khoa học toàn quốc về cơ khí, 2011 5- Hoàng Phương Hoa, Đàm Nguyễn Anh Khoa.

Nghiên cứu sự lan truyền vết nứt dạng Mixed-Mode bằng thực nghiệm và xây dựng mô hình tính toán dùng ANSYS vật liệu composite sợi carbon. Tạp chí Giao thông Vận tải, ISSN 0866- 7012, 2012 8 Luan van 1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu về lan truyền và mô phỏng phát triển vết nứt trong nước càng ít bao nhiêu thì ở ngoài nước càng phổ biến bấy nhiêu. Điều đó thể hiện qua một số kết quả và phương pháp đã được công bố như sau: 1- Bin Zhang, Lanjv Mei, and Haifeng Xiao. Nanofracture in graphene under complex mechanical stresses.

Applied Physics Letters, 2012, 101, 121915 2- Zhu. Effect of Vacancy Defects on the Young’s Modulus and Fracture Strength of Graphene: A Molecular Dynamics Study, Chin. Atomistic simulations of nanotube fracture. B 65, 2002, 235430 4- Han MY, Ozyilmaz B, Zhang Y, Kim P.

Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons. Phys Rev Lett. Fracture Behaviors of Graphene Sheets and Carbon Nanotubes. Physics and Applications of Graphene – Theory.

2011, ISBN 978- 953-307-152-7 6- Cengiz Baykasoglu, Ata Mugan. Nonlinear fracture analysis of single-layer graphene sheets. Engineering Fracture Mechanics, 2012, 96, pp. 241–250 7- Minh-Nguyen Ky, Young-Jin Yum.

Analysis of Mode I Fracture Toughness of Single Layer Graphene Sheet, Journal of Mechanical Science and Technology Volume 28, Issue 9, pp 3645-3652.3 Tổng quan về vật liệu graphene Graphen hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại. Graphene có nguồn gốc từ graphite (than chì), nó được tách ra từ Graphite. Graphene là một mạng tinh thể dạng tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành từ các nguyên tử cacbon 6 cạnh.

Dưới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng của một màng lưới có bề dày bằng bề dày của một nguyên tử cacbon, nếu xếp chồng lên nhau phải cần tới 200.000 lớp mới bằng độ dày một sợi tóc. 9 Luan van Hình 1.1 a) Than chì; b) Cấu trúc Graphit.4 Tính chất của vật liệu Graphene Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu Graphene có bề dày chỉ bằng một phần triệu của loại giấy in báo thông thường và bằng 1/200000 sợi tóc. Theo Geim, mắt người không thể nhìn thấy màng graphene và chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân nhất mới nhận ra độ dày này. Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở nhiệt độ bình thường.

Graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần. Hơn nữa, các electron đi qua graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt. Bản thân graphene cũng là chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh. Độ bền của Graphene Graphene là chất liệu bền nhất trên thế giới, theo những thí nghiệm mới được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại trường đại học Columbia ở Mỹ.

Bí mật với độ bền ngoại hạng của vật liệu, theo lời đội nghiên cứu, nằm ở sức mạnh của liên kết carbon-carbon và thực tế thì các đơn lớp graphene kiểm tra không có khiếm khuyết. Kết quả cho thấy Graphene bền hơn thép 200 lần. Một sợi dây thép dài 28km sẽ tự đứt nếu nó được treo theo phương thẳng đứng, trong khi một sợi dây graphene chỉ đứt trong điều kiện tương tự ở độ dài trên 1. Graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hình dạng 10 Luan van Graphene có cấu trúc mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại.

Nó có nhiều đặc tính của ống nano, nhưng graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hơn ống nano; vì thế có thể được sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn. Các nhà Vật Lý đã bắt đầu sử dụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn và để thử nghiệm các hiện tượng lượng tử ở nhiệt độ bình thường. Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua Lớp màng graphene ngăn cản được cả những phân tử khí nhỏ nhất, không cho chúng lọt qua. Phiến màng đơn ở cấp độ phân tử này có thể kết hợp với những cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dùng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử.

Chỉ với một lượng rất nhỏ, graphene cũng có một khả năng bịt kín chặt các lỗ thấm lọc.5 Ứng dụng vật liệu Graphene Dây dẫn và điện cực trong suốt Các nhà nghiên cứu của trường Đại học California, Mỹ, đã phát triển một phương pháp mới sản xuất ống ghép nano cacbon-graphene có tiềm năng dùng làm dây dẫn trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử gia dụng khác. Các ống ghép nano cacbon-graphene này sẽ là vật liệu thay thế rẻ hơn và mềm dẻo hơn nhiều so với các loại vật liệu hiện đang được sử dụng trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử dẻo khác. Ống ghép nano cacbon-graphene là một loại vật liệu thay thế cho oxit thiếc Indi có hiệu suất cao lý tưởng trong các thiết bị điện tử có các linh kiện rời. Graphene là chất dẫn điện tuyệt vời và ống nano cacbon là những ứng cử viên lý tưởng đối với các dây dẫn điện trong suốt vì chúng có thể dẫn điện trong khi đòi hỏi rất ít vật liệu.

Phương pháp kết hợp hai loại vật liệu này rất đơn giản, rẻ tiền và tương thích với các thiết bị mềm dẻo. Ống ghép nano cacbon-graphene được sản xuất theo phương pháp này đạt được hiệu suất có thể sánh được với các oxit thiếc Indi hiện đang được sử dụng trong các thiết bị mềm dẻo. 11 Luan van Hình 1.2 Sơ đồ và cơ chế dẫn điện của Graphene trong pin mặt trời.  FET graphene Transistor hiệu ứng trường (FET) được chế tạo bằng cách làm nóng một bánh xốp silicon carbide (SiC) để tạo ra một lớp mặt gồm những nguyên tử cacbon ở dạng graphene.

Các cực phát và thu song song được cho lắng lên trên graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chúng. Tiếp theo, cho lắng một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh hưởng bất lợi đến những tính chất điện tử của nó. Để làm như vậy, trước tiên ta đặt thêm một lớp polyhydroxystrene 10nm để bảo vệ graphene. Sau đó, một lớp oxit bình thường được cho lắng lên, tiếp theo là một điện cực cổng kim loại.

Chiều dài cổng tương đối lớn, đến 240 nm, nhưng nó có thể thu nhỏ xuống trong tương lai để cải thiện hơn nữa hiệu suất của dụng cụ.  Chíp máy tính Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới- có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử từ Graphene. Chiếc bóng bán dẫn này, về bản chất là một công tắc bật tắt. Chiếc bóng bán dẫn là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch và là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào.

Những chiếc bóng bán dẫn này sẽ làm việc với điều kiện nhiệt độ trong phòng - giống như yêu cầu đối với các thiết bị điện tử hiện đại khác. Bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt. Bóng bán dẫn được chế tạo bằng cách lắp Graphene vào một mạch điện siêu nhỏ. Chiếc bóng bán dẫn đầu tiên 12 Luan van được chế tạo bởi các nhà khoa học tại Manchester (Tiến sỹ Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim).

 Màn hình ti vi cảm ứng Các nhà nghiên cứu người Anh đã chế tạo ra một màn hình tinh thể lỏng tí hon bằng cách sử dụng Graphene. Một ngày nào đó màn hình này có thể được ứng dụng vào mọi thứ từ màn hình cảm ứng của điện thoại di động đến ti vi. Để tạo ra các màn hình tinh thể lỏng bằng graphene, các nhà nghiên cứu đã phân hủy các mảnh graphite thành graphene, và phun xịt các thể vẩn thu được lên một bề mặt thủy tinh. Khi bề mặt hòa tan được sấy khô, các nhà nghiên cứu đã lựa ra những mảnh nhỏ và sử dụng chúng như các cực điện cho màn hình tinh thể lỏng nhỏ.

Màn hình tinh thể lỏng này rất nhỏ bé, chỉ bằng một độ phân giải pixel và kích cỡ khoảng bằng 1 micromet. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, nếu như con số này được nâng cấp thì độ phân giải sẽ gần giống như màn hình điện thoại di động.  Các tế bào năng lượng Graphene có thể giúp chúng ta khai thác năng lượng tốt hơn. Ngoài pin cho điện thoại và đồng hồ thông minh, loại vật liệu này còn mang tới nhiều lợi ích cho điện năng và quang năng.

Năm 2013, đại học công nghệ Michigan của Mỹ đã phát hiện ra rằng graphane có thể thay thế platinum, một thành phần quan trọng có giá thành rất đắt (khoảng 1500 USD/ounce) trong các tế bào năng lượng mặt trời. Nhờ vào cấu trúc phân tử của mình, graphene có độ dẫn và hoạt động xúc tác cần thiết để khai thác và chuyển đổi năng lượng từ mặt trời với hiệu suất cao.