缺陷对石墨烯力学性能的调控作用研究
发布时间：2021-10-27 04:21
由碳原子以六角型蜂窝晶格结构组成的单原子厚度的二维碳纳米材料—石墨烯,凭借其优良的性能和广泛的应用前景,成为多年来科研工作者们的研究重点。目前的化学气相沉积法和氧化石墨还原法是产业化制备大尺寸石墨烯薄膜的最佳方法,然而,通过上述两种手段制备出的石墨烯不可避免地会产生不同程度的碳原子缺失、晶界等晶体结构缺陷,进而影响本身性能,但关于巧用缺陷来调节其力学性能的研究却鲜有报道。因此,本文以分子动力学模拟为主要手段,并结合连续介质力学理论和相关实验,首先研究了缺陷对于石墨烯力学性能的影响,继而详述利用缺陷来调控石墨烯的力学性能,主要研究内容如下:（1）采用分子动力学模拟研究拉伸状态下单层开孔石墨烯的裂纹扩展角与手性的关系,后以扶手椅型开孔石墨烯为例,进一步分析其孔边应力集中现象,并与弹性理论结果进行对比。随着手性角度的增加,石墨烯所对应的裂纹扩展角的变化趋势呈现出“N”字型。在扶手椅型开孔石墨烯中,与孔口距离越远的断裂处原子所受的极限拉应力越小,并最终趋于稳定值（42 GPa）,该模拟结果不仅与理论结果相吻合,同时也验证了结论的准确性和模拟过程的严谨性。（2）提出一种通过调控缺陷来改善二维材料...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纳米材料的结构示意图
江南大学硕士学位论文2图1-2三层石墨烯的堆叠结构示意图[87]在性能方面，石墨烯近乎完美的主要性能指标如下所示：力学性质[18-20]：以超薄（0.34nm）特性著称的石墨烯薄片是有史以来强度最高的材料之一，其拉伸强度约为125GPa，理论弹性模量可达1.0TPa。当受到外力作用时，石墨烯的超韧性会导致自身发生离面弯曲变形[21]，以此抵消外载荷的作用，同时由于石墨烯中C-C共价键的稳定存在，使得内部碳原子不足以发生位移，由此确保了其晶格结构的稳定性。热学性质[22-24]：相较于室温下纯金刚石的热导率[25]，通过光学非接触技术所测得的单层纯石墨烯薄片的热导率[26]是金刚石的3倍之多，甚至高于碳纳米管[27]，一跃成为导热性能最优越的纳米材料。电学性质[28-30]：π电子高速自由运动的速度以及在纯石墨烯中微弱的传输阻力，使得石墨烯具有超强的导电能力。同时，得益于石墨烯稳定的晶格结构，其中室温下的载流子在轨道中移动传输时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生背散射，此现象称之为石墨烯的量子霍尔效应[31]。1.2含缺陷石墨烯的研究现状如今，为实现石墨烯的工业化生产，各类人工制备法应运而生，例如，外延生长法[32-35]、氧化还原法[36-38]和化学气相沉积法[39-44]等等。然而，人工合成石墨烯的手段都存在诸多水平限制，以致高质量的石墨烯仍存在于理想条件下，其中石墨烯品质的不可控性则无可避免，即人工合成的石墨烯大多含有裂纹[45-49]、空位[50-53]以及晶界[54-58]等缺陷。晶格缺陷的存在和形成位置的随机性对材料的不利影响主要体现在导热性[59-61]、导电性[62-64]和机械力学性能[65-67]等方面，例如，三角缺陷的存在会大幅降低石墨烯的传热性能[68]；位错[69-70]和拓扑缺陷[71-73]都会降低材料的拉伸强度，影响本身?
第一章绪论3图1-3300K温度下多晶石墨烯带的晶格结构轮廓及其拉伸断裂模式图[74]2014年，西安交通大学的Liu等人[75]研究了纳米多孔石墨烯在纳米孔尺寸、形状和密度等不同情况下的力学特性，他们发现材料的抗拉强度随着纳米孔尺寸和孔隙度的增加而不断减小，这符合一般的固有认知。然而，有效弹性模量仅由纳米孔的孔隙率决定，并且强度也仅与同一类型纳米孔的孔隙率相关。相反，对于小孔隙度和中等孔隙度的多孔石墨烯而言，其断裂应变则随着孔隙度的增大而增大。同年，西安交通大学的Sha等人[76]通过分子动力学模拟探究了预置圆缺口对于大尺寸多晶石墨烯的拉伸强度和断裂模式的影响。结果显示，多晶石墨烯的失效模式并不依赖于缺口位置，而取决于应力集中的重叠度，即缺口直径与平均晶粒尺寸的关系。图1-4多晶石墨烯的裂纹扩展云图[76]相较于气相沉积法，氧化石墨还原法不仅制法简单，而且经济成本低廉，但同时所制得的石墨烯却存在诸多不同类型的缺陷。2017年，多伦多大学的Dewapriya等人[77]采用分子动力学模拟探讨了石墨烯边缘裂纹和空穴之间的相互作用。研究表明，在裂纹尖端附近施加不同形状、位置和方向的原子级空位缺陷可以有效地调控石墨烯中预置裂纹的尖端应力场，并且裂纹与空穴的相互作用也可令石墨烯的断裂应力显著增强。此外，该研究也表明了裂纹尖端附近的孔洞缺陷会造成多裂纹扩展，而扩展的裂纹甚至可以在极高的拉伸应力水平下完全愈合。
【参考文献】：
期刊论文
[1]还原剂气相反应和液相反应制备石墨烯的比较研究（英文）[J]. 常云珍,韩高义,肖尧明,周海涵,董建华. 新型炭材料. 2017(01)
本文编号：3460859
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纳米材料的结构示意图
江南大学硕士学位论文2图1-2三层石墨烯的堆叠结构示意图[87]在性能方面，石墨烯近乎完美的主要性能指标如下所示：力学性质[18-20]：以超薄（0.34nm）特性著称的石墨烯薄片是有史以来强度最高的材料之一，其拉伸强度约为125GPa，理论弹性模量可达1.0TPa。当受到外力作用时，石墨烯的超韧性会导致自身发生离面弯曲变形[21]，以此抵消外载荷的作用，同时由于石墨烯中C-C共价键的稳定存在，使得内部碳原子不足以发生位移，由此确保了其晶格结构的稳定性。热学性质[22-24]：相较于室温下纯金刚石的热导率[25]，通过光学非接触技术所测得的单层纯石墨烯薄片的热导率[26]是金刚石的3倍之多，甚至高于碳纳米管[27]，一跃成为导热性能最优越的纳米材料。电学性质[28-30]：π电子高速自由运动的速度以及在纯石墨烯中微弱的传输阻力，使得石墨烯具有超强的导电能力。同时，得益于石墨烯稳定的晶格结构，其中室温下的载流子在轨道中移动传输时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生背散射，此现象称之为石墨烯的量子霍尔效应[31]。1.2含缺陷石墨烯的研究现状如今，为实现石墨烯的工业化生产，各类人工制备法应运而生，例如，外延生长法[32-35]、氧化还原法[36-38]和化学气相沉积法[39-44]等等。然而，人工合成石墨烯的手段都存在诸多水平限制，以致高质量的石墨烯仍存在于理想条件下，其中石墨烯品质的不可控性则无可避免，即人工合成的石墨烯大多含有裂纹[45-49]、空位[50-53]以及晶界[54-58]等缺陷。晶格缺陷的存在和形成位置的随机性对材料的不利影响主要体现在导热性[59-61]、导电性[62-64]和机械力学性能[65-67]等方面，例如，三角缺陷的存在会大幅降低石墨烯的传热性能[68]；位错[69-70]和拓扑缺陷[71-73]都会降低材料的拉伸强度，影响本身?
第一章绪论3图1-3300K温度下多晶石墨烯带的晶格结构轮廓及其拉伸断裂模式图[74]2014年，西安交通大学的Liu等人[75]研究了纳米多孔石墨烯在纳米孔尺寸、形状和密度等不同情况下的力学特性，他们发现材料的抗拉强度随着纳米孔尺寸和孔隙度的增加而不断减小，这符合一般的固有认知。然而，有效弹性模量仅由纳米孔的孔隙率决定，并且强度也仅与同一类型纳米孔的孔隙率相关。相反，对于小孔隙度和中等孔隙度的多孔石墨烯而言，其断裂应变则随着孔隙度的增大而增大。同年，西安交通大学的Sha等人[76]通过分子动力学模拟探究了预置圆缺口对于大尺寸多晶石墨烯的拉伸强度和断裂模式的影响。结果显示，多晶石墨烯的失效模式并不依赖于缺口位置，而取决于应力集中的重叠度，即缺口直径与平均晶粒尺寸的关系。图1-4多晶石墨烯的裂纹扩展云图[76]相较于气相沉积法，氧化石墨还原法不仅制法简单，而且经济成本低廉，但同时所制得的石墨烯却存在诸多不同类型的缺陷。2017年，多伦多大学的Dewapriya等人[77]采用分子动力学模拟探讨了石墨烯边缘裂纹和空穴之间的相互作用。研究表明，在裂纹尖端附近施加不同形状、位置和方向的原子级空位缺陷可以有效地调控石墨烯中预置裂纹的尖端应力场，并且裂纹与空穴的相互作用也可令石墨烯的断裂应力显著增强。此外，该研究也表明了裂纹尖端附近的孔洞缺陷会造成多裂纹扩展，而扩展的裂纹甚至可以在极高的拉伸应力水平下完全愈合。
【参考文献】：
期刊论文
[1]还原剂气相反应和液相反应制备石墨烯的比较研究（英文）[J]. 常云珍,韩高义,肖尧明,周海涵,董建华. 新型炭材料. 2017(01)
本文编号：3460859
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