石墨烯材料的纳米力学行为研究

发布时间：2017-06-20 08:03

  本文关键词：石墨烯材料的纳米力学行为研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：理想的石墨烯二维单晶具有极其优异的力学性能,弹性模量和本征强度可达1TPa和130GPa,在复合材料和纳米电子器件等领域展示出广泛的应用前景。与理想石墨烯单晶相比,采用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)和氧化还原法获取的石墨烯和石墨烯结构材料表现出独特的结构特征,然而目前对其力学行为报道较少,且缺少对石墨烯结构与力学性质关联性的研究。因此,本文利用专用纳米压痕仪以及原子力显微镜纳米压入法分别研究了CVD石墨烯薄膜和氧化还原法制得的石墨烯纸的力学行为,并建立相关分析物理模型解析其力学性能。对于CVD石墨烯薄膜,研究表明膜内存在单层和多层区域,力学响应显著不同。石墨烯对基底有增强作用,多层区的纳米压入结果表明,表面的弹性模量从93GPa提高到201GPa。载荷位移曲线发现单层区域发生深度突变现象,可采用多层石墨烯从上往下生长的生长机制解释。通过原子力显微镜纳米压入法,借助连续介质力学模型,计算出单层区域的弹性模量为1.0TPa。对于氧化还原石墨烯纸,研究表明热还原前的氧化石墨烯的载荷-位移曲线光滑,且循环稳定性高。热还原后其循环稳定性显著下降,材料内部出现明显裂纹,弹性模量约为4.8GPa,远低于还原前的28.8GPa。通过分子动力学计算层间结合能,表明石墨烯层片间氢键在高温下被破坏,导致力学性能降低。
【关键词】：石墨烯 化学气相沉积 纳米压痕 原子力显微镜 力学性能
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-30
• 1.1 引言10-11
• 1.2 石墨烯结构性能、制备以及应用11-16
• 1.2.1 石墨烯的结构与性能11-12
• 1.2.2 石墨烯的制备方法12-14
• 1.2.3 石墨烯的应用14-16
• 1.3 纳米压痕技术16-24
• 1.3.1 纳米压痕的简介16
• 1.3.2 纳米压痕的发展历史16-18
• 1.3.3 纳米压痕的原理18-22
• 1.3.4 纳米压痕技术的应用22-23
• 1.3.5 纳米压痕在材料力学性能上的应用23-24
• 1.4 石墨烯的力学性能研究进展24-28
• 1.5 本文的研究意义及内容28-30
• 1.5.1 研究意义28-29
• 1.5.2 研究内容29-30
• 第二章 石墨烯材料的制备与表征30-39
• 2.1 引言30
• 2.2 石墨烯薄膜的CVD生长30-36
• 2.2.1 实验原材料30-31
• 2.2.2 实验设备31-32
• 2.2.3 实验方案32-36
• 2.3 氧化石墨烯的制备36-39
• 2.3.1 实验原材料36
• 2.3.2 实验设备36-37
• 2.3.3 实验方案37-39
• 第三章 化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的力学性能研究39-50
• 3.1 引言39-40
• 3.2 微观表征和力学性能实验40-41
• 3.3 结果与讨论41-49
• 3.3.3 石墨烯薄膜的结构与力学性能44-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 氧化还原法制备石墨烯纸的力学性能研究50-68
• 4.1 引言50-51
• 4.2 实验部分51-53
• 4.2.1 氧化石墨烯的制备51
• 4.2.2 氧化石墨烯以及热还原后石墨烯的表征51-52
• 4.2.3 循环加载力学实验52-53
• 4.3 结果与讨论53-60
• 4.3.1 热重(TGA)分析53-54
• 4.3.2 X射线衍射(XRD)分析54-55
• 4.3.3 激光拉曼光谱(Raman)分析55-56
• 4.3.4 光射线光电子能谱(XPS)分析56-57
• 4.3.5 表面形貌分析57-58
• 4.3.6 力学性能分析58-60
• 4.4 分子动力学模拟60-66
• 4.4.1 软件及模块的介绍61-62
• 4.4.2 分子动力学模拟的原理62-65
• 4.4.3 建模和计算65-66
• 4.5 本章小结66-68
• 第五章 结论与展望68-70
• 5.1 结论68
• 5.2 前景与展望68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-77
• 作者简介77

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