石墨烯气凝胶静动态性能研究的粗粒化分子动力学方法

发布时间：2020-05-25 05:55

【摘要】：石墨烯气凝胶是一种石墨烯三维宏观结构,具有高孔隙率、超低密度、优异的力学和导电性能,在吸附、催化、储能和电化学领域有着广泛的应用前景。随着制备技术的发展,石墨烯气凝胶的微观结构可控制备成为可能,不同的微观结构具有不同的力学性能。揭示石墨烯气凝胶的变形机制和力学性能对微观结构的依赖关系对石墨烯气凝胶的结构优化设计和应用具有重要意义。本论文提出了石墨烯及其集合体的粗粒化分子动力学方法,构建了具有蜂窝结构的石墨烯气凝胶的分析模型,研究了压缩、剪切和冲击力学性能及微观结构变形机理。主要研究内容如下。(1)基于Tersoff势函数,提出了石墨烯的粗粒化分子动力学方法。通过与全原子模拟的结果进行比较,验证了方法的有效性。采用一个粗粒代替四个原子,粗粒间的成键相互作用采用Tersoff势函数形式的粗粒化势函数表示、非成键相互作用采用Lennard-Jones势函数表示,对单层、多层石墨烯的拉伸及弯曲行为、石墨烯的层间剪切响应进行了模拟,结果表明粗粒化分子动力学方法计算准确、有效减少了计算时间。(2)建立了双层蜂窝结构交错排布的石墨烯气凝胶的粗粒化分子动力学模型,模拟了石墨烯气凝胶的准静态单轴压缩行为。分析了压缩及压缩-恢复过程中气凝胶的应力-应变关系,研究了气凝胶的微观结构的演变过程,以及石墨烯层数、尺寸和蜂窝结构的排布方式对气凝胶压缩行为的影响。分析了石墨烯气凝胶的泊松比在压缩过程中的变化规律,描述了负泊松比现象。(3)采用粗粒化分子动力学方法模拟了蜂窝结构的石墨烯气凝胶的准静态剪切行为。分析了单层石墨烯气凝胶在蜂窝面内和面外的剪切破坏变形及剪切-恢复过程,讨论了微观结构对气凝胶蜂窝面内和面外剪切行为的影响。(4)建立了石墨烯气凝胶在蜂窝结构面外和面内受冲击载荷的力学分析模型,采用粗粒化分子动力学方法模拟了石墨烯气凝胶的冲击行为。计算了在冲击过程中气凝胶的微观结构变形,分析了不同冲击能量下气凝胶的接触力及能量耗散规律。
【图文】：

英国曼彻斯特大学的物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫（v）和安德烈·杰姆(Andre Geim)首次利用机械剥离法从石墨中翻了“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的石墨烯材料的开创性实验”获得 2010 年的诺贝尔物理学奖[1墨形态之母，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳的石墨[2]，如图 1-1 所示，它的发现加深了人们对碳素材料的一种新型的纳米材料，具有优异的电学、热学和力学性能以及哥伦比亚大学的研究人员对石墨烯的强度进行了测试，根据实能制作出厚度相当于塑料包装袋（厚度约 100nm）的石墨烯，0000N 的压力才能将其扯断[3]。近年来，，大规模石墨烯的成功强复合材料得到了很好的发展[4,5]，石墨烯纤维[6]、石墨烯纸[7]等石墨烯集合体的问世进一步展示了石墨烯在纳米科技领域新型的石墨烯集合体能够有效地将石墨烯的优异性能从纳米尺，为高性能、多功能新型复合结构的开发与应用提供了新的思

蜂窝结构[81]，石墨烯任意排布结构[32]，如图1-2 所示。很多学者对石墨烯三维结构的优异性能与微观结构之间的关系进行了研究。Nieto 等[101]通过在扫描显微镜内对独立 3D 石墨烯泡沫进行原位拉伸测试，研究了内在变形机制。他们发现石墨烯束的平行排列使其可以承受沿石墨烯面内方向高强度的力，使石墨烯泡沫在拉伸过程中有很高的弹性模量。他们还用纳米压痕方法研究了压缩、石墨烯束弯曲及石墨烯束的壁弹性凹陷的变形机理。Baimova 等[102]用全原子分子动力学模拟发现，由褶皱石墨烯构成的石墨烯块体材料在室温下承受静水压缩时具有极强的抗金刚石化特性，而严重的塑性剪切变
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ427.26;TQ127.11

【参考文献】

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1 周佳骥;宋文波;刘宏马;;石墨烯——未来材料之星[J];物理与工程;2011年02期

本文编号：2679676