石墨烯增强镁基复合材料界面性能第一性原理研究

发布时间：2017-09-12 17:34

  本文关键词：石墨烯增强镁基复合材料界面性能第一性原理研究

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【摘要】：镁基复合材料拥有优异的力学和物理性能,但其弹性模量普遍偏低从而极大地限制了其在结构材料领域的广泛应用。石墨烯具有高弹性模量(约1TPa)与断裂强度(约125GPa),将石墨烯作为镁基复合材料的增强相,能有效地提高镁金属及镁合金的强度、弹性模量等性能。利用第一性原理计算方法,系统地对石墨烯增强镁基复合材料界面性能进行研究。主要考察石墨烯增强镁基复合材料界面原子构型、界面能和界面电荷分布,分析其界面稳定性、界面电子结构和成键特征。主要研究成果如下:(1)采用超晶胞建模方法,建立镁原子与石墨烯表面的吸附模型。选取具有代表性的吸附模型进行吸附能研究,结果表明空位缺陷或掺杂原子对石墨烯与镁原子吸附作用的增强程度大小为:空位缺陷BSiNS。(2)对镁原子与石墨烯吸附模型进行电子电荷分布计算。计算结果表明镁原子和本征石墨烯吸附作用力为范德瓦耳斯力,属于物理吸附;而与空位缺陷石墨烯属于化学吸附,镁原子与碳原子形成了很强的杂化共价键。镁原子在空位缺陷石墨烯或掺杂石墨烯表面吸附成键的差分电荷密度较高,成键电荷主要由镁原子轨道上转移。(3)建立石墨烯微片与镁晶面吸附界面模型。分别优化计算界面能、界面电子结构,结果表明石墨烯微片中的碳原子和镁晶面上最近的镁原子的结合强度很高,具有很强的共价键作用,属于化学吸附,石墨烯可以与镁金属拥有较强的界面强度,石墨烯可以作为镁及镁合金优秀的增强相。(4)石墨烯在金属镁表面吸附成键的差分电荷密度较高,碳原子与镁原子之间形成很强的杂化从而形成很强的共价相互作用,成键电荷由碳和镁原子轨道共同提供,主要集中在结合面处碳原子和第一近邻镁原子上。
【关键词】：密度泛函理论 石墨烯 镁基复合材料 界面
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB333
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 引言10-11
• 1.2 石墨烯规模化制备方法与工艺研究进展11-16
• 1.3 石墨烯增强金属基复合材料研究进展16-18
• 1.3.1 实验制备研究16
• 1.3.2 模拟计算研究16-18
• 1.4 本文研究的主要内容18-19
• 1.5 研究目的与意义19-21
• 2 第一性原理与软件介绍21-27
• 2.1 第一性原理介绍21
• 2.2 密度泛函理论21-26
• 2.2.1 Born-Oppenheimer近似和单电子近似21-23
• 2.2.2 Hartree-Fock近似23
• 2.2.3 密度泛函理论(DFT)23-24
• 2.2.4 局域密度近似(LDA)24-26
• 2.2.5 广义梯度近似(GGA)26
• 2.3 分子轨道理论26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 镁原子在石墨烯表面吸附的结构和性质研究27-40
• 3.1 引言27
• 3.2 吸附模型与计算参数27-30
• 3.2.1 吸附模型的建立27-28
• 3.2.2 计算参数的选定28-30
• 3.3 结果分析30-39
• 3.3.1 本征石墨烯和空位缺陷石墨烯结构分析30-31
• 3.3.2 镁原子在石墨烯表面吸附的结构和吸附能计算31-35
• 3.3.3 总电荷密度和差分电荷密度分布的分析35-39
• 3.4 本章小结39-40
• 4 镁原子在掺杂石墨烯表面吸附的结构和性质研究40-49
• 4.1 引言40
• 4.2 吸附模型与计算参数40-41
• 4.2.1 吸附模型的建立40-41
• 4.2.2 计算参数的选定41
• 4.3 结果分析41-47
• 4.3.1 掺杂石墨烯结构分析41-42
• 4.3.2 镁原子在掺杂石墨烯表面吸附模型结构分析42-44
• 4.3.3 镁原子在掺杂石墨烯表面吸附模型吸附能分析44-46
• 4.3.4 总电荷密度和差分电荷密度分布的分析46-47
• 4.4 本章小结47-49
• 5 石墨烯增强镁基复合材料界面分析49-58
• 5.1 引言49
• 5.2 模型与计算方法49-51
• 5.2.1 建模思路及计算方法49-50
• 5.2.2 参数选定和体相计算50-51
• 5.3 结果分析51-56
• 5.3.1 石墨烯增强镁界面结构优化和吸附能分析51-54
• 5.3.2 总电荷密度和差分电荷密度分布的分析54-56
• 5.4 本章小结56-58
• 6 结论与展望58-60
• 6.1 结论58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-67
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果67-68
• 致谢68-69

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