Modélisation par éléments finis à l’échelle atomique des matériaux
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Date
2023-03-22
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Abstract
Résumé (Français et/ou Anglais) :
L'émergence de la nanotechnologie a permis l'avancement de plusieurs domaines de la science et de l'ingénierie, notamment le génie civil, grâce à ses approches et techniques basées sur l'information à l'échelle atomique.
Par ailleurs, en génie civil, les nanomatériaux sont devenus très répondus pour le renforcement, la réparation et le développement des nouveaux matériaux de construction. Dans cet égard, les nanomatériaux de carbone, notamment le graphène, les nanotubes et les nanocones de carbone ont pris la plus grande part des études en raison de leurs propriétés attrayantes. Cependant, les propriétés mécaniques de ces nanostructures peuvent être affectées en présence de défauts inévitables dans leur fabrication, ce qui nécessiterait de les étudier afin de les traiter ou de les utiliser correctement. Par conséquent, plusieurs études ont été menées dans cet axe dont la plupart ont eu recours à des méthodes de simulation à cause de la complexité et du cout élevé de la réalisation des expériences à l’échelle nanométrique.
Dans ce travail, les propriétés mécaniques du graphène et des nanocones de carbone vierges et en présence de certains défauts spécifiques sont étudiées en utilisant la simulation numérique à travers la méthode des éléments finis atomiques (AFEM). Pour cela, des nouveaux modèles atomiques sont développés en se basant sur l’approche de la mécanique moléculaire (MM) et la procédure de la méthode des éléments finis classique (MEF) dans le but d’améliorer la précision et la stabilité de la simulation par la méthode des éléments finis atomiques (AFEM) ce qui démontrent notre principale contribution. Ensuite, ces modèles sont utilisés pour étudier les propriétés mécaniques du graphène sous l’effet de différentes formes de nanopores, puis étudier le pourcentage des imperfections dans les nanocones de carbone imparfaits.
En effet, les résultats de ce travail montrent l'efficacité et la rapidité de la méthode AFEM présente dans l'étude des propriétés mécaniques des nanostructures de carbone et peut ainsi constituer une nouvelle technique de simulation dans l'étude de nanomatériaux complexes tels que le silicate, en plus de l'investigation des défauts pouvant survenir dans ces nanomatériaux.
Abstract (Anglais) :
In the recent years, the emergence of the nanotechnology has led to the advancement of several fields of science and engineering, especially civil engineering, thanks to its approaches and techniques based on information at the atomic scale. In civil engineering, nanomaterials have become very attractive for the reinforcement, repair and development of new construction materials. In this regard, carbon nanomaterials including graphene, carbon nanotubes (CNTs), and carbon nanocones (CNCs) have taken the largest share of studies due to their attractive properties. However, the mechanical properties of these nanostructures can be affected in the presence of inevitable defects during their fabrication, which would require studying them in order to process them or use them correctly. Consequently, several studies have been carried out in this area, most of which have used simulation methods because of the complexity and high cost of carrying out experiments at the nanometric scale.
In this work, the mechanical properties of the pristine graphene and carbon nanocones and in the presence of special defects are studied using the numerical simulation through the atomic finite element method (AFEM). For this, new atomic models are developed based on the molecular mechanics approach (MM) and the procedure of the classical finite element method (MEF) in order to improve the accuracy and stability of the simulation using the atomic finite element method (AFEM) which demonstrates our main contribution in this thesis. Then, these models are used to study the mechanical properties of graphene under the effect of different nanopore shapes, and then study the imperfections percentages in the imperfect carbon nanocones.
Indeed, the present results demonstrate the efficiency and the speed of the present AFEM to study of the mechanical properties of carbon nanostructures and can thus constitute a new simulation technique in the study of complex nanomaterials such as silicate, in addition to the investigation of defects that may occur in these nanomaterials.
Description
Doctorat
