石墨烯受力变形及内部孔洞演变规律的研究

发布时间：2017-08-18 17:40

  本文关键词：石墨烯受力变形及内部孔洞演变规律的研究

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【摘要】：石墨烯是由碳原子构成的呈六角蜂窝结构的平面二维晶体材料。石墨烯是目前发现的最薄最强的材料,其强度比钢铁高200多倍。然而,目前制备的石墨烯,一般是含有晶界缺陷的多晶石墨烯。因此,晶界对石墨烯性能的影响是石墨烯材料能被广泛应用必须考虑的重要问题之一。本文主要采用分子动力学方法对含21.8°、32.2°、38.2°、60°对称倾斜晶界的石墨烯进行了模拟,研究了压应力条件下,不同晶界对石墨烯弯曲程度及弯曲形状的影响,比较了不同晶界处的势能大小,并与完美石墨烯进行对比。结果表明,压应力条件下含晶界的石墨烯弯曲程度比完美石墨烯大,并且完美石墨烯的弯曲位置和弯曲半径都与含晶界石墨烯不一样。晶界处的势能比完美石墨烯大,晶界上五元环的势能比七元环的大。此外,多层完美石墨烯在压应力下的变形行为也不尽相同,除了八层石墨烯的最大聚集层数为四层;三到九层的石墨烯,最大的聚集层数都为三层。采用Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order(AIREBO)势函数模拟研究了孔洞和晶界缺陷对单层石墨烯单向拉伸断裂机理的影响。结果表明,含晶界的石墨烯首先在晶界处碳-碳键被拉长发生严重变形,继而萌生裂纹,且最后在晶界上被拉断;在拉伸过程中,含晶界和晶界大孔洞的石墨烯,孔洞周围碳-碳键被拉长,六元环在拉应力作用下扩展为五元环、七元环、八元环等缺陷,随着拉伸进行小孔洞转化为大孔洞,在大孔洞处被拉断破坏;含晶界和晶界外大孔洞的石墨烯,在拉应力的作用下,不同尺寸和形状的晶格缺陷首先出现在孔洞周围,晶界在拉应力的作用下,碳-碳键沿着拉伸的方向被拉长,随着拉应力的增大孔洞周围小缺陷变成大的孔洞缺陷,最终在孔洞处发生断裂,而晶界在石墨烯被拉断后会恢复到拉伸前的状态。可见,大孔洞缺陷的存在会使石墨烯更容易被破坏,同时存在大孔洞和晶界时,孔洞周围首先被破坏,且石墨烯最终在孔洞处被拉断,可见大孔洞对石墨烯的削弱程度比晶界的大。
【关键词】：石墨烯 分子动力学模拟 晶界 孔洞
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 石墨烯的研究现状12
• 1.2 石墨烯概述12-23
• 1.2.1 石墨烯的发展历程12-13
• 1.2.2 石墨烯的结构和性质13-15
• 1.2.3 石墨烯的制备15-16
• 1.2.4 石墨烯的力学性能16-19
• 1.2.5 石墨烯中的缺陷19-22
• 1.2.6 石墨烯的应用及发展前景22-23
• 1.3 石墨烯中晶界和孔洞缺陷的研究意义23
• 1.4 本课题研究内容23-24
• 第二章 分子动力学24-33
• 2.1 分子动力学概述24-30
• 2.1.1 理论依据24-27
• 2.1.2 势函数27-29
• 2.1.3 分子动力学参数29-30
• 2.2 论文使用软件介绍30-33
• 2.2.1 LAMMPS30-32
• 2.2.2 OVITO32-33
• 第三章 压应力条件下含晶界石墨烯的弯曲变形33-44
• 3.1 引言33
• 3.2 石墨烯晶界结构模型33-35
• 3.3 模拟方法35
• 3.4 结果与讨论35-43
• 3.4.1 不同晶界的石墨烯在压应力条件下的变形行为35-39
• 3.4.2 石墨烯势能的分布39
• 3.4.3 压应力下石墨烯的旋转变形39-41
• 3.4.4 压应力下不同层数石墨烯的弯曲变形41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 晶界和孔洞对石墨烯力学性能的影响44-52
• 4.1 物理模型和模拟方法44-45
• 4.1.1 含孔洞和晶界的单层石墨烯的几何模型44
• 4.1.2 分子动力学模拟方法及过程44-45
• 4.2 结果与讨论45-50
• 4.3 本章小结50-52
• 第五章 孔洞对含晶界石墨烯拉伸断裂机理的影响52-70
• 5.1 孔洞对含 60°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响52-56
• 5.1.1 60°晶界对石墨烯的拉伸断裂机理的影响52
• 5.1.2 晶界上小孔洞对含 60°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响52-53
• 5.1.3 晶界上大孔洞对含 60°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响53-54
• 5.1.4 晶界外小孔洞对含 60°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响54
• 5.1.5 晶界外大孔洞对含 60°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响54-56
• 5.1.6 孔洞对含 60°晶界石墨烯拉伸断裂的影响56
• 5.2 孔洞对含 38.2°晶界石墨烯的拉伸机理的影响56-60
• 5.2.1 38.2°晶界对石墨烯的拉伸断裂机理的影响56-57
• 5.2.2 晶界上小孔洞对含 38.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响57
• 5.2.3 晶界上大孔洞对含 38.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响57-58
• 5.2.4 晶界外小孔洞对含 38.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响58-59
• 5.2.5 晶界外大孔洞对含 38.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响59
• 5.2.6 孔洞对含 38.2°晶界石墨烯拉伸断裂的影响59-60
• 5.3 孔洞对含 32.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响60-63
• 5.3.1 32.2°晶界对石墨烯的拉伸断裂机理的影响60-61
• 5.3.2 晶界上小孔洞对含 32.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响61
• 5.3.3 晶界上大孔洞对含 32.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响61
• 5.3.4 晶界外小孔洞对含 32.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响61-62
• 5.3.5 晶界外大孔洞对含 32.2°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响62-63
• 5.3.6 孔洞对含 32.2°晶界石墨烯拉伸断裂的影响63
• 5.4 孔洞对含 21.8°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响63-66
• 5.4.1 21.8°晶界对石墨烯的拉伸断裂机理的影响63-64
• 5.4.2 晶界上小孔洞对含 21.8°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响64-65
• 5.4.3 晶界上大孔洞对含 21.8°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响65
• 5.4.4 晶界外小孔洞对含 21.8°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响65
• 5.4.5 晶界外大孔洞对含 21.8°晶界石墨烯的拉伸断裂机理的影响65-66
• 5.4.6 孔洞对含 21.8°晶界石墨烯拉伸断裂的影响66
• 5.5 讨论66-68
• 5.6 本章小结68-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 总结70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-78
• 附录78-82
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果82-83
• 致谢83-84

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