Riassunto analitico
Lo studio della tribolgia è cresciuto sempre più negli ultimi decenni, coinvolgendo diversi campi scientifici tra cui la fisica, la chimica e l’ingegneria. Lo spreco di energia e i costi ambientali associati all’attrito e all’usura hanno stimolato una grande quantità di ricerche sullo studio delle superfici in contatto ed in moto relativo tra loro. Tuttavia, è ancora relativamente inesplorato ciò che accade a livello atomico quando due interfacce di materiali sono sottoposte a carico meccanico esterno.
Questa tesi vuole essere un primo contributo alla comprensione delle caratteristiche tribologiche a livello microscopico di interfacce solide poste sotto sforzo. In particolare, sono state simulate interfacce omogenee di tre diversi materiali, alluminio, rame e diamante, sotto gli effetti di uno stress monoassiale perpendicolare alla superficie (001).
Sono state studiate le proprietà strutturali ed elettroniche di questi solidi e confrontate con i dati sperimentali riportati in letteratura. Poi, partendo da strutture di bulk all'equilibrio, è stata applicata una deformazione crescente lungo l'asse verticale. Per ogni configurazione ottenuta, è stato calcolato lo stress corrispondente e sono stati analizzati i cambiamenti nelle proprietà elastiche nei tre solidi. Sono stati quindi analizzati i cambiamenti di alcune proprietà elettroniche, come la densità degli stati elettronici (DOS) ed i valori dei band gap.
In seguito, è stata analizzata la carica elettronica all'interfaccia e come questa si ridistribuisca nei solidi all'aumentare della pressione applicata. E’ possibile associare questa quantità microscopica a quantità macroscopiche misurabili come l’energia di adesione tra superfici, testando così un possibile nuovo metodo di analisi tribologica per solidi sotto pressione.
In questa tesi, è stato adottato un metodo ab initio basato sulla teoria funzionale della densità (DFT). Questo studio vuole essere un primo importante punto di partenza per ulteriori indagini sugli effetti di carichi meccanici sulle interazioni tra superfici a contatto.
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Abstract
The study of tribology in materials science has grown increasingly in recent decades, involving different fields, including physics, chemistry, and engineering. The wasted energy and environmental costs associated with friction and wear have stimulated a great deal of research into the study of sliding surfaces in contact. However, what happens at the atomistic level is still relatively unexplored when two material interfaces are placed under external stress.
This thesis aims to be a first contribution to the microscopic understanding of the tribological characteristics of solid interfaces under load. In particular, homogeneous interfaces of three different materials, i.e., aluminum, copper, and diamond, were simulated under the effects of an uniaxial stress perpendicular to the surface.
The structural and electronic properties of the considered solids were studied and compared to literature data. Then, starting from bulk structures at equilibrium, an increasing strain has been applied along the vertical axis. For each configuration, the corresponding stress was obtained, and the changes in the elastic properties of the three solids were analyzed. The changes in the electronic properties of the materials, such as DOS and band gap, were also computed.
Moreover, it was analyzed how the electronic charge at the interface of the three materials redistributes as the applied pressure increases and how this connects to the calculated adhesion energy. In this way, it was possible to associate measurable macroscopic quantities with microscopic properties of surfaces in contact, suggesting a novel approach for the tribological analysis of solids under compression.
In this thesis, an ab initio method based on Density Functional Theory (DFT) was adopted. The study is intended to be a first important step towards a fundamental understanding of the effects of load on the surface interactions.
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