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石墨烯/Al-Si基复合材料界面性质与力学行为的原子尺度研究

发布时间:2021-02-04 12:00
  铝及合金因为其制造成本低廉、轻质、良好的机械加工性能、优秀的强度与塑性等特点,而被人们广泛应用于航空、航天等领域,但其性能还需要进一步提升。石墨烯具备极优异的力学性能和高比表面积,是理想的金属基复合材料增强体。目前石墨烯/Al基复合材料的研究中存在着增强体强化机理、界面结合机制不明确等问题。第一性原理可从电子原子尺度揭示界面结合本质,分子动力学能对有限温度下界面的力学行为进行模拟。本文分别采用第一性原理计算和分子动力学模拟方法,从电子和原子尺度研究石墨烯/Al-Si基复合材料的界面性质和力学行为,为石墨烯/铝硅合金复合材料的试验设计提供指导与借鉴。本文基于密度泛函理论采用平面波赝势的第一性原理方法计算了铝/石墨烯/铝界面的界面粘附功、错配能、几何构型和电子结构,采用分子动力学方法模拟了铝/石墨烯/铝界面不同温度下的稳定性和在300K下的拉伸行为,分析了缺陷、石墨烯层数、Si原子等对铝/石墨烯/铝界面性质和力学行为的影响。基于[1(?)0]Al//[10(?)0]graphene、(111)Al//(0001)g... 

【文章来源】:哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】:128 页

【学位级别】:硕士

【文章目录】:
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 石墨烯/铝基复合材料研究现状
    1.3 第一性原理在界面研究中的应用
    1.4 分子动力学模拟在材料研究中的应用
    1.5 本文主要研究内容
第2章 理论计算基本原理与方法
    2.1 引言
    2.2 密度泛函理论
        2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
        2.2.2 Kohn-Sham方程
        2.2.3 局域密度近似(Local-Density Approximation)
        2.2.4 广义梯度近似(Generalized-Gradient Approximation)
    2.3 分子动力学
        2.3.1 基本原理与假设
        2.3.2 动力学方程及算法
        2.3.3 势函数简介
    2.4 热力学原理及模型
        2.4.1 Miedema模型
        2.4.2 组元活度计算
    2.5 软件简介
        2.5.1 CASTEP模块简介
        2.5.2 LAMMPS软件简介
        2.5.3 OVITO软件简介
第3章 石墨烯/Al(Si)界面性质与电子结构的第一性原理计算
    3.1 Al-Si-C体系平衡相热力学计算
        3.1.1 Al-Si二元合金热力学函数及各组元活度计算
        3.1.2 溶质元素含量和温度对界面反应产物的影响
    3.2 石墨烯性质计算
        3.2.1 理想石墨烯
        3.2.2 缺陷石墨烯
    3.3 铝/石墨烯/铝界面模型构建及性质计算
        3.3.1 铝/理想石墨烯/铝界面模型构建与计算
        3.3.2 铝/SV缺陷石墨烯/铝界面模型构建与计算
        3.3.3 铝/DV缺陷石墨烯/铝界面模型构建与计算
        3.3.4 铝/SW缺陷石墨烯/铝界面模型构建与计算
    3.4 Si对铝/石墨烯/铝界面性质的影响计算
        3.4.1 铝(硅)/理想石墨烯/铝界面模型构建与计算
        3.4.2 铝(硅)/SV缺陷石墨烯/铝界面模型构建与计算
        3.4.3 铝(硅)/DV缺陷石墨烯/铝界面模型构建与计算
        3.4.4 铝(硅)/SW缺陷石墨烯/铝界面模型构建与计算
    3.5 本章小结
第4章 铝/石墨烯/铝界面稳定性与力学行为的分子动力学模拟
    4.1 势函数准确性验证
        4.1.1 晶格常数及键长计算
        4.1.2 石墨烯缺陷形成能计算
        4.1.3 Al表面能计算
        4.1.4 Si原子偏聚能计算
    4.2 铝/石墨烯/铝界面稳定性分子动力学模拟
        4.2.1 铝/理想石墨烯/铝界面稳定性模拟
        4.2.2 铝/少层石墨烯/铝界面稳定性模拟
        4.2.3 铝/缺陷石墨烯/铝界面稳定性模拟
    4.3 铝/石墨烯/铝界面拉伸行为模拟
        4.3.1 沿[(?)2]方向拉伸
        4.3.2 沿[1(?)0]方向拉伸
        4.3.3 沿[111]方向拉伸
    4.4 石墨烯层数对铝/石墨烯/铝拉伸变形行为的影响
    4.5 石墨烯缺陷对铝/石墨烯/铝拉伸变形行为的影响
    4.6 Si原子对铝/石墨烯/铝界面稳定性和拉伸性能的影响
    4.7 本章小结
结论
参考文献
致谢


【参考文献】:
期刊论文
[1]石墨烯增强金属基复合材料的制备及应用研究进展[J]. 王剑桥,雷卫宁,薛子明,钱海峰,刘维桥.  材料工程. 2018(12)
[2]石墨烯增强铝基纳米复合材料研究进展[J]. 燕绍九,陈翔,洪起虎,王楠,李秀辉,赵双赞,南文争,杨程,张晓艳,戴圣龙.  航空材料学报. 2016(03)
[3]石墨烯/金属复合材料力学性能的研究进展[J]. 张丹丹,战再吉.  材料工程. 2016(05)
[4]石墨烯增强铝基纳米复合材料的研究[J]. 燕绍九,杨程,洪起虎,陈军洲,刘大博,戴圣龙.  材料工程. 2014(04)
[5]高强变形铝合金的研究现状和发展趋势[J]. 王涛,尹志民.  稀有金属. 2006(02)
[6]高强高韧铝合金的研究现状及发展趋势[J]. 刘昌斌,夏长清,戴晓元.  矿冶工程. 2003(05)
[7]分子动力学模拟的主要技术[J]. 文玉华,朱如曾,周富信,王崇愚.  力学进展. 2003(01)
[8]短碳纤维增强铝基复合材料的挤压浸渗工艺[J]. 张广安,罗守靖,田文彤.  中国有色金属学报. 2002(03)

硕士论文
[1]石墨烯/纯铝复合材料的制备及其性能研究[D]. 邹君玉.哈尔滨工业大学 2015
[2]石墨烯及其Al-20Si基复合材料的制备与性能研究[D]. 肖瑞.哈尔滨工业大学 2014
[3]Wilson方程和正规溶液模型在铝基液态合金体系中的比较研究[D]. 管洪涛.昆明理工大学 2003



本文编号:3018271

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