二维材料的缺陷力学性质
本文关键词:二维材料的缺陷力学性质 出处:《清华大学》2016年博士论文 论文类型:学位论文
更多相关文章: 二维材料 拓扑缺陷 石墨烯晶界 赝Hall-Petch效应 纳米压痕
【摘要】:2004年二维石墨烯晶体材料的发现,使得二维材料迅速成为了科学研究和产业应用的持续热点。受益于近年来实验制备和表征技术的快速发展,新型的二维材料层出不穷,据相关预测其总数可以达到500余种。时至今日,已初步形成了一个新兴的材料门类。由于二维材料自身独特的低维结构特征,它们大多各自具有优异的力学、热学、电学、磁学和光学等物理性能,被认为有潜力在能源环境、电子信息、航空航天、生物医药等领域引起革命性的突破。本文使用理论分析和计算机模拟相结合的方式对以石墨烯中拓扑缺陷为代表的单原子层厚的二维材料的缺陷力学性质进行了系统的研究,重点考察缺陷在二维材料中引起的拓扑效应和几何效应。按照本文的行文顺序,研究内容可组织归纳为以下四个方面:(1)二维材料缺陷的拓扑效应。通过基本缺陷结构和应力场的组合叠加,标定了石墨烯中常见缺陷的应力场分布。在此基础上,建立了5|7位错和5|8|5位错偶极子的应力堆积模型,在多晶石墨烯的脆性断裂行为中发现了赝(逆)Hall-Petch效应,即拉伸强度反相关(正相关)于晶粒尺寸,裂纹一般在晶界接合处萌生,可沿晶或穿晶扩展;(2)二维材料缺陷的几何效应。几何效应来源于缺陷产生的内建畸变应力场诱导二维材料产生的局部几何结构屈曲。首先分析了石墨烯薄膜承压下的变形行为和尺度效应。以此为基础,指出了在纳米压痕实验中一直被忽视的几何效应对二维材料强度和刚度测量值的影响,为微纳尺度下精确表征超薄材料的力学性能提供了理论指导;(3)缺陷在曲面上的力学性质。以碳纳米管张开形成石墨烯条带的过程为研究对象,借助于断裂力学Griffith理论,从能量的角度出发,考察了缺陷在曲面上诱导断裂的力学特性,分析了氧和氢化学刻蚀缺陷对不同管径和手性的碳纳米管张开机制的影响;(4)二维材料的力学相关应用举例。基于前述对二维材料力学性能的研究,结合人类社会自身的实际需求,探索了三个关于二维材料的未来应用方向。为二维材料未来的应用推广做出了初步的尝试。
[Abstract]:The discovery of the two dimensional graphene crystals in 2004 makes two dimensional materials rapidly becoming a hot spot in scientific research and industrial applications. Because of the rapid development of the experimental preparation and characterization technology in recent years, the new type of two-dimensional materials emerge in endlessly. According to the related prediction, the total number can reach more than 500. Today, a new type of material has been formed. Due to the low dimensional structure characteristics of two-dimensional materials unique, most of them have excellent mechanical, thermal, electrical, magnetic and optical properties, is considered to have the potential to cause a revolutionary breakthrough in energy and environment, electronic information, aerospace, biomedical and other fields. Mechanical properties of the defects of theoretical analysis and computer simulation method of combining the two-dimensional graphene materials with topological defects are represented by a single atomic layer thickness were studied, focusing on the topological effect and geometric effect caused by defects in two-dimensional materials in. According to the order of this article, the research content can be organized into four aspects: (1) the topological effect of two-dimensional material defects. The distribution of the stress field of the common defects in graphene is calibrated by the combination of the basic defect structure and the combination of the stress field. On this basis, established the 5|7 5|8|5 dislocation and dislocation dipole stress accumulation model, pseudo found in brittle fracture behavior of polycrystalline graphene in Hall-Petch (inverse) effect, such as tensile strength and anti correlation (positive correlation) on grain size, cracks in the grain boundary junction can be adorable, intergranular or wear crystal growth; (2) the geometric effect of two-dimensional material defects. The geometric effect derives from the built - in distortion stress field induced by the defect, which induces the local geometric buckling of a two-dimensional material. First, the deformation behavior and scale effect of graphene film under pressure are analyzed. Based on this, the influence of geometric effects on the strength and stiffness measurement of two-dimensional materials is pointed out, which provides theoretical guidance for accurately characterizing the mechanical properties of ultra-thin materials at micro and nano scale. (3) the mechanical properties of defects on surfaces. To open the forming process of carbon nanotube graphene strip as the research object, based on the Griffith theory of fracture mechanics, from the view of energy, investigated the mechanical properties of defects on the surface induced fracture, analyses of oxygen and hydrogen chemical etching defect opening mechanism effect on different diameter and chiral carbon nanotubes; (4) for example, mechanical application of two-dimensional materials. Based on the previous research on the mechanical properties of two dimensional materials and the actual needs of human society, three future applications of two dimensional materials are explored. A preliminary attempt was made for the future application and popularization of two dimensional materials.
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O341
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 马圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究进展[J];现代物理知识;2009年04期
2 傅强;包信和;;石墨烯的化学研究进展[J];科学通报;2009年18期
3 万勇;马廷灿;冯瑞华;黄健;潘懿;;石墨烯国际发展态势分析[J];科学观察;2010年03期
4 李宗红;;石墨烯——二维碳的奇妙世界[J];宝鸡文理学院学报(自然科学版);2010年04期
5 常艳丽;陈胜;曹傲能;;压力促进氧化石墨烯水热还原反应的机理[J];上海大学学报(自然科学版);2010年06期
6 李娜;;石墨烯取代硅,前景预测被批乐观[J];科技导报;2011年16期
7 刘霞;;神奇材料石墨烯[J];今日科苑;2011年14期
8 张文毓;全识俊;;石墨烯应用研究进展[J];传感器世界;2011年05期
9 刘霞;;石墨烯:硅的“终结者”?[J];发明与创新(综合科技);2011年09期
10 ;科学家观察到石墨烯内电子间相互作用[J];黑龙江科技信息;2011年27期
相关会议论文 前10条
1 成会明;;石墨烯的制备与应用探索[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
2 钱文;郝瑞;侯仰龙;;液相剥离制备高质量石墨烯及其功能化[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年
3 张甲;胡平安;王振龙;李乐;;石墨烯制备技术与应用研究的最新进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
4 赵东林;白利忠;谢卫刚;沈曾民;;石墨烯的制备及其微波吸收性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
5 沈志刚;李金芝;易敏;;射流空化方法制备石墨烯研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年
6 王冕;钱林茂;;石墨烯的微观摩擦行为研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
7 赵福刚;李维实;;树枝状结构功能化石墨烯[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
8 吴孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
9 周震;;后石墨烯和无机石墨烯材料:计算与实验的结合[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
10 周琳;周璐珊;李波;吴迪;彭海琳;刘忠范;;石墨烯光化学修饰及尺寸效应研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
相关重要报纸文章 前10条
1 姚耀;石墨烯研究取得系列进展[N];中国化工报;2009年
2 刘霞;韩用石墨烯制造出柔性透明触摸屏[N];科技日报;2010年
3 记者 王艳红;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新华每日电讯;2010年
4 本报记者 李好宇 张們捷(实习) 特约记者 李季;石墨烯未来应用的十大猜想[N];电脑报;2010年
5 证券时报记者 向南;石墨烯贵过黄金15倍 生产不易炒作先行[N];证券时报;2010年
6 本报特约撰稿 吴康迪;石墨烯 何以结缘诺贝尔奖[N];计算机世界;2010年
7 记者 谢荣 通讯员 夏永祥 陈海泉 张光杰;石墨烯在泰实现产业化[N];泰州日报;2010年
8 本报记者 纪爱玲;石墨烯:市场未启 炒作先行[N];中国高新技术产业导报;2011年
9 周科竞;再说石墨烯的是与非[N];北京商报;2011年
10 王小龙;新型石墨烯材料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2011年
相关博士学位论文 前10条
1 吕敏;双层石墨烯的电和磁响应[D];中国科学技术大学;2011年
2 罗大超;化学修饰石墨烯的分离与评价[D];北京化工大学;2011年
3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修饰[D];北京化工大学;2012年
4 王崇;石墨烯中缺陷修复机理的理论研究[D];吉林大学;2013年
5 盛凯旋;石墨烯组装体的制备及其电化学应用研究[D];清华大学;2013年
6 姜丽丽;石墨烯及其复合薄膜在电极材料中的研究[D];西南交通大学;2015年
7 姚成立;多级结构石墨烯/无机非金属复合材料的仿生合成及机理研究[D];安徽大学;2015年
8 伊丁;石墨烯吸附与自旋极化的第一性原理研究[D];山东大学;2015年
9 梁巍;基于石墨烯的氧还原电催化剂的理论计算研究[D];武汉大学;2014年
10 王义;石墨烯的模板导向制备及在电化学储能和肿瘤靶向诊疗方面的应用[D];复旦大学;2014年
相关硕士学位论文 前10条
1 詹晓伟;碳化硅外延石墨烯以及分子动力学模拟研究[D];西安电子科技大学;2011年
2 王晨;石墨烯的微观结构及其对电化学性能的影响[D];北京化工大学;2011年
3 苗伟;石墨烯制备及其缺陷研究[D];西北大学;2011年
4 蔡宇凯;一种新型结构的石墨烯纳米器件的研究[D];南京邮电大学;2012年
5 金丽玲;功能化石墨烯的酶学效应研究[D];苏州大学;2012年
6 黄凌燕;石墨烯拉伸性能与尺度效应的研究[D];华南理工大学;2012年
7 刘汝盟;石墨烯热振动分析[D];南京航空航天大学;2012年
8 雷军;碳化硅上石墨烯的制备与表征[D];西安电子科技大学;2012年
9 于金海;石墨烯的非共价功能化修饰及载药系统研究[D];青岛科技大学;2012年
10 李晶;高分散性石墨烯的制备[D];上海交通大学;2013年
,本文编号:1345076
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/jckxbs/1345076.html