Dissertação

{en_GB=Finite element modeling of the mechanical behaviour of graphene nanocomposites} {} EVALUATED

{pt=O grafeno é um material de ultima geração, conhecido pelas suas propriedades mecânicas, térmicas, óticas e elétricas únicas. Por esta razão, as comunidades técnicas e científicas têm vindo a explorar a sua imensidão de aplicações nas últimas décadas. Presentemente, o excelente comportamento mecânico do grafeno tem-no levado a ser empregue em materiais compósitos com uma notável capacidade de otimização. Nesta dissertação, é desenvolvida uma análise de elementos finitos composta em dois níveis para estudar o comportamento de materiais compósitos reforçados com grafeno. Inicialmente, as propriedades mecânicas da folha de grafeno são extraídas através de um modelo de elementos finitos que simula a sua estrutura atómica, e onde as ligações covalentes são consideradas como elementos estruturais. Em seguida, a representação atómica do grafeno é inserida num meio elástico (matriz) representado num elemento de volume adequado para extrair os módulos elásticos do material nanocompósito. A última parte do documento investiga as consequências no comportamento elástico do nanocompósito quando são introduzidos defeitos atómicos no grafeno. A abordagem apresentada é capaz de reproduzir as propriedades elásticas do grafeno em concordância com outras metodologias, revelando que o comportamento ortotrópico previsto anteriormente dá lugar a isotropia em folhas quadradas de maiores dimensões. Adicionalmente, o modelo representativo do nanocompósito mostra que o aumento da otimização mecânica é conseguido quando é considerada uma maior aderência entre o grafeno e a matriz envolvente. Por fim, foi identificado que o grafeno com um baixo grau de defeitos é capaz de manter o seu elevado efeito como reforço em nanocompósitos., en=Graphene is a state-of-art material, known by its unique mechanical, thermal, optical and electrical properties. For this reason, the technical and scientific communities have been exploring its immensity of applications in the last few decades. Presently, the excellent mechanical behaviour of graphene has leading it to be employed in composite materials with notable capability of improvement. In this dissertation, a two-level finite element analysis is developed to address the behaviour of composite material reinforced with graphene. First, the mechanical properties of pristine graphene are extracted through a refined finite element model that simulates its nanostructure, and where covalent bonds are regarded as structural elements. Then, the atomistic representation of graphene is assembled into a suitable representative volume element to extract the elastic moduli of nanocomposite material. The final part of this document investigates the effects in the elastic behaviour of nanocomposite when atomic defects are introduced in graphene. The present approach is able to reproduce the elastic properties of pristine graphene in agreement with other methodologies, revealing also that orthotropic behaviour earlier predicted gives rise to isotropy for square sheets with larger dimensions. Additionally, the representative model of nanocomposite shows that increasing mechanical enhancement is achieved when higher adhesion is considered between graphene and surrounding matrix. Ultimately, it was identified that graphene with low defect content is capable to maintain its superior reinforcing effect in nanocomposites.}
{pt=Elementos Finitos, Grafeno, Nanocompósito, Propriedades Mecânicas, Defeitos Atómicos, en=Finite Elements, Graphene, Nanocomposite, Mechanical Properties, Atomic Defects}

Dezembro 2, 2016, 11:30

Publicação

Obra sujeita a Direitos de Autor

Orientação

ORIENTADOR

Nuno Miguel Rosa Pereira Silvestre

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Associado