Grafen takviyeli polimer yapıların moleküler dinamik yöntemiyle mekanik ve termal özelliklerinin araştırılması
Investigation of mechanical and thermal properties of graphene reinforced polymer structures by molecular dynamics method
Yazar: MUHAMMET ERDÖL
Danışman: DOÇ. DR. AHMET SİNAN ÖKTEM ; PROF. DR. ALPER ŞEVKİ KONUKMAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Moleküler dinamik = Molecular dynamic ; Moleküler dinamik benzetimi = Molecular dynamic simulation ; Moleküler mekanik = Molecular mechanic ; Nanokompozitler = Nanocomposites

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında, günümüzde birçok mühendislik uygulamasında kullanılan epoksinin mekanik ve termâl özelliklerinin grafen takviyesi ile birlikte değişimi moleküler dinamik yöntemiyle incelenmiştir. Simülasyonlarda epoksinin modellenmesinde sıklıkla kullanılan epoksi reçine olarak diglisidil eter bisfenol-A (DGEBA), sertleştirici olarak ise dietil toluen diamin (DETDA) kullanılmıştır. Epoksi içerisindeki çapraz bağlanma reaksiyonlarının gerçekleşmesi için yeni bir sezgisel yöntem olan REACTER protokolü kullanılmıştır. Simülasyonlarla birlikte ilk olarak epoksinin elastisite modülü, kayma modülü, hacimsel genleşme modülü ve camsı geçiş sıcaklığı değerleri hesaplanmıştır. Tüm simülasyon hücreleri aynı sayıda molekül içeren üç farklı model olarak oluşturulmuş, analiz sonuçlarının ortalama ve standart sapma hesaplamaları ile değerler hesaplanmıştır. Elastik özelliklerin hesaplanmasında "Constant strain minimization" metodu kullanılmış olup, camsı geçiş sıcaklığının hesaplanmasında ise "Two segments fit method" kullanılmıştır. Bu değerler farklı büyüklüklerde altı adet hücre boyutu için tekrarlanarak, kullanılan hücre boyutunun hesaplamalara etkisi incelenmiştir. Aynı zamanda üç farklı çapraz bağ oranı elde edilerek, hesaplamalar yapılmış ve çapraz bağ oranının etkisi ortaya koyulmuştur. Son olarak da DREIDING, UNIVERSAL ve COMPASS kuvvet alanı fonksiyonları ayrı ayrı kullanılarak, kuvvet alanı fonksiyonlarının elde edilen sonuçlara etkisi de ayrıca değerlendirilmiştir. Sade epoksi üzerinde yapılan bu hesaplamalar sonrasında epoksi içerisine kusursuz grafen eklenmiş ve farklı ağırlık oranlarında grafenin epoksi içerisine eklenmesi sonucu oluşan nano kompozit yapının elastisite modülü değeri hesaplanmıştır. Son olarak tek boşluk, çift boşluk ve Stone-Wales kusur tiplerine sahip grafenler epoksi yapısı içerisine eklenerek analizler tekrarlanmış ve grafenin kusurlu hale gelmesiyle birlikte elastisite modülü değerinin değişimi incelenmiştir. Tüm simülasyonlar sonrasında sade epoksinin ve grafen takviyeli epoksinin özellikleri literatürde benzer yapılar için elde edilmiş deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

Abstract:
In this Ph. D. dissertation, variation of mechanical and thermal properties of epoxy, which is used in many engineering applications today, with graphene reinforcement was investigated using molecular dynamics method. Epoxy resin diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) and hardener diethyl toluene diamine (DETDA) were used in modeling the epoxy. And also, REACTER protocol which is a new heuristic method was used for the cross-linking reactions of epoxy. Firstly, elasticity modulus, shear modulus, bulk modulus, and glass transition temperature values were calculated for epoxy. All simulation cells were created as three independent samples to examine different variations which contain the same number of molecules and elastic properties were determined by standard deviation results. "Constant strain minimization" method was used to calculate the elastic properties, and "Two segments fit method" was used to calculate glass transition temperature. These calculations were repeated for six different cell sizes and the effect of the cell size used in the modeling was examined. At the same time, simulations were run by obtaining three different crosslinking ratios and the effect of crosslinking ratio was revealed. Finally, the effect of force field functions was also evaluated by using DREIDING, UNIVERSAL, and COMPASS force field functions respectively. After these calculations for neat epoxy, pristine graphene was added to the epoxy in different weight ratios and the elasticity modulus of the created nanocomposite structure was calculated. Finally, graphene with single vacancy, double vacancy, and Stone-Wales defect types was added to the epoxy structure and variation in the elastic modulus value was investigated for the defective. After all these simulations, properties of neat epoxy, and nano-composite material created by adding graphene into epoxy were compared with the experimental results obtained for similar structures in the literature.