石墨烯剪纸的力学性能及调控机理研究
发布时间：2021-04-08 08:57
石墨烯是单原子层厚度的新型二维纳米碳材料,自2004年被发现以来就一直得到科研工作者的广泛关注。石墨烯具有卓越的力学,热学,磁学和电学性能,被誉为新一代战略材料,在高性能纳米电子器件,复合材料,能量储存,气体传感器,场发射材料等领域具有广阔的应用前景。近年来,传统的剪纸/折纸技术被引入纳观领域,实验和数值模拟表明,剪纸技术作为一种简单、有效、可控的方法可以有效地大幅度提高石墨烯的延展性,特定的剪纸结构还会使石墨烯出现负泊松比效应,从而为有效调控石墨烯等二维纳米材料的性能,拓展其应用领域提供了一种新的解决方案。本课题通过引入矩形和菱形穿孔图案构建了两种石墨烯剪纸模型,使用分子动力学方法研究了石墨烯剪纸在单轴拉伸和剪切变形下的力学性能和变形破坏机制,着重研究了纵横比和参数S等穿孔尺寸参数对石墨烯剪纸力学性能的影响规律,并分析了其内在的调控机理。主要的研究工作如下:（1）研究了矩形和菱形穿孔石墨烯剪纸的拉伸力学性能以及穿孔尺寸参数的影响规律。研究结果表明,矩形和菱形穿孔大大降低了石墨烯的极限应力和杨氏模量,通过调控穿孔纵横比和参数S,可以有效地调控石墨烯剪纸的力学性能。当参数S较小时（S&l...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯、零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨示意图[3]
?Ｍü?陨鲜笛榭梢钥闯觯???┑鹊ピ?佣??纳米材料的可拉伸性能可以通过剪纸/折纸的方法获得，从而其在复合材料和柔弹性电子器件等领域的应用得以拓展。波士顿大学Park团队在石墨烯和二硫化钼等二维材料中引入矩形剪纸图案[18,19]，采用分子动力学方法研究了两种材料的拉伸变形力学行为。研究发现与未裁剪材料相比，虽然剪纸模型的屈服和断裂应变提高为原来的3-4倍，但是材料的强度和弹性模量大大降低。所以，在构建石墨烯剪纸时，既要考虑延展性的增加，又要满足高刚度和高强度的需求，这一问题仍需我们继续探索。图1.2石墨烯剪纸“弹簧”示意图[17]Fig.1.2Schematicdiagramofgraphenekirigamispring.当材料样品沿纵向受拉或受压时，它不仅沿加载方向变形，而且沿横向方向变形。沿试样加载方向的变形与侧向变形之间的耦合受泊松比控制，泊松比定义为受纵向加载的材料试样的横向法向应变与纵向法向应变的负比。如果样品受到纵向拉伸时的侧向法向应变为正，或者样品受到纵向压缩时的侧向法向应变为负，该材料被称为拉胀材料[20]。因此，对于一个拉胀材料，它的泊松比是负的。研究表明，负泊松比材料具有抗剪切能力好、断裂韧性强、相较于一般材料更能抵抗压痕等优异机械性能[21-23]，因而拥有广泛的潜在应用领域。负泊松比材料可应用于军事领域如防弹背心、轻质护膝、头盔等，生物医药领域如人造皮肤、压线、药物释放装置等，航天航空领域如振动吸收器、燃气涡轮发动机、飞机的雷达罩等[24]。
石墨烯剪纸的力学性能及调控机理研究4图1.3正、负泊松比变形示意图[20]Fig.1.3SchematicdiagramofpositiveandnegativePoisson’sratiodeformation.负泊松比材料也广泛存在于实际工程中。例如，69%的立方金属晶体和一些以面为中心的立方稀有气体固体在沿特定离轴方向拉伸时就会表现出拉胀特性[25,26]。许多天然材料已被发现是拉胀材料[27-29]。在人造材料中，拉胀材料也很受欢迎。它们可以在重入式蜂窝[30]、泡沫[31-33]、微孔聚合物[34]、复合材料[35-37]、陶瓷[38,39]和折纸[40]中找到，而分子尺度上的拉胀材料早在20多年前就有报道[41]。据报道，传统的非拉胀材料可以通过裁剪等技术转化为具有特定泊松比值的拉胀材料[42-47]。近来，性能卓越的石墨烯材料也表现出负泊松比效应。ZakharchenkoKV等人将石墨烯材料进行高温热诱导波纹处理，温度控制为1700K左右，结果显示石墨烯的泊松比出现了负值，这也说明面内波纹是驱使石墨烯的负泊松比效应的重要机制[48]。Jiang等人发现在氢化率低时，氢化石墨烯的泊松比会由正变负，在氢化率高时，氢化石墨烯的泊松比又会增加[49]。研究者还发现，氧官能化也会使石墨烯的泊松比值由正变为负，并且石墨烯的泊松比值随着氧化程度增加而单调减少[50]。此外，研究者们发现通过裁剪技术在石墨烯上设计一系列特定图案，石墨烯剪纸表现出拉胀行为，而且他们的泊松比随着剪纸穿孔的形状和尺寸的变化而有所改变[51,52]。这一发现对石墨烯的研究发展意义重大，可以利用石墨烯剪纸材料的负泊松比特点满足特定应用。到目前为止，在分子水平上设计和合成这种拉胀材料仍然是一个研究热点。1.3国内外研究现状自石墨烯剪纸提出以来，立刻引起了科研工作者的广泛关注。研究发现，石墨烯剪纸的性能灵活，研究者可以根
【参考文献】：
期刊论文
[1]Loading direction-dependent shear behavior at different temperatures of single-layer chiral graphene sheets[J]. Yang Zhao,Shuhong Dong,Peishi Yu,Junhua Zhao. Acta Mechanica Sinica. 2018(03)
[2]石墨烯剪纸的大变形拉伸力学行为研究[J]. 韩同伟,李攀攀. 物理学报. 2017(06)
硕士论文
[1]石墨烯剪纸的拉胀性以及力学性质的研究[D]. 郝晓丽.西北农林科技大学 2018
本文编号：3125261
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯、零维富勒烯、一维碳纳米管和三维石墨示意图[3]
?Ｍü?陨鲜笛榭梢钥闯觯???┑鹊ピ?佣??纳米材料的可拉伸性能可以通过剪纸/折纸的方法获得，从而其在复合材料和柔弹性电子器件等领域的应用得以拓展。波士顿大学Park团队在石墨烯和二硫化钼等二维材料中引入矩形剪纸图案[18,19]，采用分子动力学方法研究了两种材料的拉伸变形力学行为。研究发现与未裁剪材料相比，虽然剪纸模型的屈服和断裂应变提高为原来的3-4倍，但是材料的强度和弹性模量大大降低。所以，在构建石墨烯剪纸时，既要考虑延展性的增加，又要满足高刚度和高强度的需求，这一问题仍需我们继续探索。图1.2石墨烯剪纸“弹簧”示意图[17]Fig.1.2Schematicdiagramofgraphenekirigamispring.当材料样品沿纵向受拉或受压时，它不仅沿加载方向变形，而且沿横向方向变形。沿试样加载方向的变形与侧向变形之间的耦合受泊松比控制，泊松比定义为受纵向加载的材料试样的横向法向应变与纵向法向应变的负比。如果样品受到纵向拉伸时的侧向法向应变为正，或者样品受到纵向压缩时的侧向法向应变为负，该材料被称为拉胀材料[20]。因此，对于一个拉胀材料，它的泊松比是负的。研究表明，负泊松比材料具有抗剪切能力好、断裂韧性强、相较于一般材料更能抵抗压痕等优异机械性能[21-23]，因而拥有广泛的潜在应用领域。负泊松比材料可应用于军事领域如防弹背心、轻质护膝、头盔等，生物医药领域如人造皮肤、压线、药物释放装置等，航天航空领域如振动吸收器、燃气涡轮发动机、飞机的雷达罩等[24]。
石墨烯剪纸的力学性能及调控机理研究4图1.3正、负泊松比变形示意图[20]Fig.1.3SchematicdiagramofpositiveandnegativePoisson’sratiodeformation.负泊松比材料也广泛存在于实际工程中。例如，69%的立方金属晶体和一些以面为中心的立方稀有气体固体在沿特定离轴方向拉伸时就会表现出拉胀特性[25,26]。许多天然材料已被发现是拉胀材料[27-29]。在人造材料中，拉胀材料也很受欢迎。它们可以在重入式蜂窝[30]、泡沫[31-33]、微孔聚合物[34]、复合材料[35-37]、陶瓷[38,39]和折纸[40]中找到，而分子尺度上的拉胀材料早在20多年前就有报道[41]。据报道，传统的非拉胀材料可以通过裁剪等技术转化为具有特定泊松比值的拉胀材料[42-47]。近来，性能卓越的石墨烯材料也表现出负泊松比效应。ZakharchenkoKV等人将石墨烯材料进行高温热诱导波纹处理，温度控制为1700K左右，结果显示石墨烯的泊松比出现了负值，这也说明面内波纹是驱使石墨烯的负泊松比效应的重要机制[48]。Jiang等人发现在氢化率低时，氢化石墨烯的泊松比会由正变负，在氢化率高时，氢化石墨烯的泊松比又会增加[49]。研究者还发现，氧官能化也会使石墨烯的泊松比值由正变为负，并且石墨烯的泊松比值随着氧化程度增加而单调减少[50]。此外，研究者们发现通过裁剪技术在石墨烯上设计一系列特定图案，石墨烯剪纸表现出拉胀行为，而且他们的泊松比随着剪纸穿孔的形状和尺寸的变化而有所改变[51,52]。这一发现对石墨烯的研究发展意义重大，可以利用石墨烯剪纸材料的负泊松比特点满足特定应用。到目前为止，在分子水平上设计和合成这种拉胀材料仍然是一个研究热点。1.3国内外研究现状自石墨烯剪纸提出以来，立刻引起了科研工作者的广泛关注。研究发现，石墨烯剪纸的性能灵活，研究者可以根
【参考文献】：
期刊论文
[1]Loading direction-dependent shear behavior at different temperatures of single-layer chiral graphene sheets[J]. Yang Zhao,Shuhong Dong,Peishi Yu,Junhua Zhao. Acta Mechanica Sinica. 2018(03)
[2]石墨烯剪纸的大变形拉伸力学行为研究[J]. 韩同伟,李攀攀. 物理学报. 2017(06)
硕士论文
[1]石墨烯剪纸的拉胀性以及力学性质的研究[D]. 郝晓丽.西北农林科技大学 2018
本文编号：3125261
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3125261.html
