基于分子动力学的多晶石墨烯力学性能研究

发布时间：2017-10-25 11:21

  本文关键词：基于分子动力学的多晶石墨烯力学性能研究

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【摘要】：石墨烯具有超高的强度、刚度以及优异的电学性质,是目前公认的具有战略意义的新材料,拥有极其广阔的应用前景。然而,现有技术条件下,工业化制备出的石墨烯都不可避免的会含有晶界和缺陷,这大大限制了石墨烯的工业化制备与量产应用,而这类含有晶界和缺陷的石墨烯我们称为多晶石墨烯。晶界和缺陷的存在虽然会降低石墨烯的力学性能,但是却能够提高石墨烯某些其他的性质。同时相较于完美石墨烯严苛的制备工艺和过低的性价比,含有晶界和缺陷的多晶石墨烯具有更大的应用潜质与可行性。如果能够通过研究多晶石墨烯中缺陷和晶界对石墨烯性能的影响并将其利用,就能以目前的技术开展石墨烯工业化制备与量产应用,这将会对石墨烯工业化应用产生巨大的推动作用。因此对多晶石墨烯的力学性能研究具有重要意义。本文选取单层的完美和多晶石墨烯为研究对象,基于分子动力学理论,通过数值模拟研究了多晶石墨烯的拉伸断裂过程和力学性能。利用分子动力学方法,建立完美石墨烯拉伸模型,实现了完美石墨烯准静态加载拉伸过程。基于完美石墨烯拉伸模型的基础上,用含晶界和缺陷的多晶石墨烯模型重复完美石墨烯模型拉伸过程。探讨了晶界和缺陷对石墨烯破坏强度的影响,计算了石墨烯材料的表面自由能与断裂韧性,模拟了多种情况下含有圆孔缺陷和裂纹缺陷的多晶石墨烯拉伸断裂。并有如下结论:石墨烯中晶粒和晶界数量越多,石墨烯力学性能越弱。随着多晶石墨烯中含有的缺陷尺寸越大,石墨烯力学性能就越差,同样大小的圆孔缺陷和裂纹缺陷,裂纹缺陷对石墨烯力学性能的影响更大。而且缺陷在多晶石墨烯中位置的不同,对石墨烯力学性能的影响也会不同,缺陷范围内的晶界越多,石墨烯的力学性能就越差。
【关键词】：多晶石墨烯 力学性能 圆孔缺陷 裂纹缺陷 分子动力学
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 研究背景和意义8-9
• 1.2 石墨烯及其应用前景9-10
• 1.3 完美石墨烯力学性能研究现状10-11
• 1.4 多晶石墨烯研究现状11-12
• 1.5 本文主要研究内容12-14
• 2 分子动力学模拟方法简介14-22
• 2.1 概述14
• 2.2 分子动力学发展历程14-15
• 2.3 基本原理15-16
• 2.4 基本步骤16-17
• 2.5 分子动力学模拟中基本概念17-19
• 2.5.1 初始条件17
• 2.5.2 边界条件17-18
• 2.5.3 势函数18-19
• 2.5.4 系综19
• 2.6 AIREBO势函数19-20
• 2.7 小结20-22
• 3 多晶石墨烯拉伸力学性能22-36
• 3.1 引言22
• 3.2 完美石墨烯拉伸模拟22-24
• 3.2.1 势函数和截断半径的选择23-24
• 3.3 结果分析24-27
• 3.3.1 弛豫分析24-26
• 3.3.2 拉伸结果26-27
• 3.4 多晶石墨烯拉伸模拟27-28
• 3.5 结果分析28-30
• 3.5.1 弛豫分析28-30
• 3.5.2 拉伸结果30
• 3.6 完美和多晶石墨烯拉伸结果比较30-34
• 3.7 本章小结34-36
• 4 圆孔和裂纹缺陷对多晶石墨烯力学性能的影响36-60
• 4.1 引言36
• 4.2 圆孔缺陷对多晶石墨烯力学性能的影响36-45
• 4.2.1 拉伸模拟36-37
• 4.2.2 结果分析37-43
• 4.2.3 圆孔缺陷位置对石墨烯力学性能的影响43-44
• 4.2.4 圆孔缺陷大小对石墨烯力学性能的影响44-45
• 4.3 裂纹缺陷对多晶石墨烯力学性能的影响45-58
• 4.3.1 拉伸模拟45-46
• 4.3.2 结果分析46-49
• 4.3.3 石墨烯表面自由能和能量释放率49-50
• 4.3.4 石墨烯临界应力强度因子50-51
• 4.3.5 裂纹大小对多晶石墨烯力学性能的影响51-52
• 4.3.6 裂纹位置对多晶石墨烯力学性能的影响52-58
• 4.4 本章小结58-60
• 5 结论与展望60-62
• 5.1 结论60-61
• 5.2 展望61-62
• 致谢62-64
• 参考文献64-70
• 攻读硕士学位期间的科研成果70

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本文编号：1093490