石墨烯/羟基磷灰石复合材料力学性能的数值研究

为了研究石墨烯/羟基磷灰石复合材料力学性能（弹性模量和泊松比）,开发了石墨烯/羟基磷灰石复合材料的随机分布模型自动生成算法及相应的计算程序;建立石墨烯/羟基磷灰石复合材料的有限元模型,计算添加不同质量分数的石墨烯对复合材料力学性能的影响,通过与实验数据对比验证算法的有效性.结果表明：添加0.25%~1.25%（质量分数）的石墨烯可使复合材料的弹性模量增加12%~50%,表明添加少量石墨烯即能有效地改善羟基磷灰石的力学性能.     

石墨烯/铝基复合材料在纳米压痕过程中位错与石墨烯相互作用机制的模拟研究

石墨烯因其优异的力学性能已成为增强金属基复合材料的理想增强体.然而,目前对石墨烯/金属基复合材料在纳米压痕过程中嵌入石墨烯与位错之间的相互作用仍不清晰.本文采用分子动力学模拟方法,对90°,45°和0°位向的石墨烯/铝基复合材料进行了纳米压痕模拟,研究了压痕加载和卸载过程中石墨烯/铝基复合材料的位错形核及演化,以获取不同位向的石墨烯与位错的相互作用机制,并分析其对塑性区的影响.研究发现,石墨烯可以有效阻碍位错运动,并且石墨烯会沿着位错滑移方向发生弹性变形.在纳米压痕过程中,位错与不同位向石墨烯之间的相互作用差异导致塑性区的变化趋势不同.研究结果表明,在石墨烯/铝基复合材料中,位向不同的石墨烯对位错阻碍强度和方式不同,且石墨烯位向为45°的复合材料的硬度高于其他模型.此外,石墨烯/铝基复合材料的位错线总长度的演化规律与石墨烯位向紧密相关.本文研究可为设计和制备高性能石墨烯/金属基复合材料提供一定的理论指导.     

纳米多晶铁的冲击相变研究

利用分子动力学方法研究了不同晶粒度的纳米多晶铁在冲击压缩下的结构相变过程,模拟结果表明:纳米多晶铁的冲击结构相变(由体心立方(bcc)结构 α 相到六角密排(hcp)结构 ε 相)发生的临界冲击应力在15 GPa左右.纳米多晶铁在经过弹性压缩变形后,晶界导致的塑性变形开始发生,然后大多数相变从晶界成核并最终发展为大规模相变.不同变形过程在应力和粒子速度剖面上能得到清晰的体现,并通过微观原子结构分析分辨.冲击压缩后的微观结构以晶界原子和以fcc结构原子充当孪晶界的hcp原子为主.晶粒度明显影响晶界变形及相变 关键词： 冲击相变 纳米多晶铁 冲击波 分子动力学     

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.     

石墨烯尺寸和分布对石墨烯/铝基复合材料裂纹扩展的影响

铝基复合材料由于其质轻高强的特点,是机械工业和航空航天工程中最重要的材料之一.而石墨烯因其优异力学性能和高比表面积等特点,被作为金属基复合材料的理想增强相.然而,目前石墨烯在铝基复合材料中对裂纹扩展影响的机制尚不清晰,制约了其在铝基复合材料的设计和应用.本文采用分子动力学模拟方法研究了石墨烯的尺寸和分布对铝基复合材料中裂纹扩展的影响.研究结果表明,当石墨烯尺寸l≤3.35 nm时,在拉伸过程中产生的亚裂纹促进了裂纹扩展。值得注意的是,这种促进作用随着石墨烯与裂纹的距离增大而减弱.当石墨烯尺寸l> 3.35 nm时,石墨烯阻碍了裂纹的扩展和亚裂纹位错的滑移.此外,石墨烯的分布和角度可以有效地改变裂纹扩展路径.本研究的结果有助于理解石墨烯在其铝基复合材料中的破坏失效的作用,为设计高性能石墨烯/铝基复合材料提供一定参考依据.     

单晶Cu(001)薄膜塑性变形的分子动力学模拟

使用分子动力学方法,模拟研究了单晶Cu(001)薄膜在双向等轴拉伸应变下的塑性变形行为.当应变超过一定值时,样品通过产生位错、层错及孪晶而发生塑性变形.当应变相对较低时,不全位错首先在薄膜表面形核并在密排面上滑移,留下堆积层错;当应变增加时,位错在表面与内部同时成核生长,层错数量也随之增加.分析了相邻滑移面上的位错之间相互作用形成孪晶的微观过程.材料内部形成大量堆积层错及孪晶后,较大孪晶的密排面上的原子也会发生滑移,形成孪晶内部的层错结构以释放残余应力.     

石墨烯/石蜡复合材料的热物理性能研究

为改善相变蓄热用石蜡的导热性能,通过向石蜡基材中掺杂微量的石墨烯制备石墨烯/石蜡复合材料。采用扫描电子显微镜、热传导分析仪和差式扫描量热仪等获取了复合材料的表观形貌、热导率、熔点和相变潜热等关键热物性参数,讨论了石墨烯质量分数对这些参数的影响。通过动态热响应实验,揭示了石墨烯质量分数和热源温度对复合材料热响应速率的影响规律。结果表明,与纯石蜡相比,石墨烯/石蜡复合材料的热导率得到显著提高。当石墨烯的质量分数由0.2%升至2.0%,复合材料的热导率由0.266 W·m~(-1)·K~(-1)提高到0.346 W·m~(-1)1·K~(-1)。复合材料的相变潜热与纯石蜡相比并未减小,且其热响应速率高于纯石蜡。     

单晶铁沿[101]晶向冲击过程中面心立方相的形成机制

铁的冲击相变过程是科研工作者们关注的热点领域之一.铁沿[100]晶向冲击时会发生体心立方相到密排六方相的转变;而沿[101]晶向冲击时,相变产物除了密排六方相之外还出现一定量的面心立方相.人们已经明确了体心立方到密排六方相的转变机制,然而对于面心立方相的形成机制问题至今还在探索.本文通过分子动力学方法模拟了体心立方单晶铁沿[101]晶向的冲击过程,模拟结果显示体心立方相将转变为高压密排结构(密排六方相和面心立方相);并分析了面心立方相的形成机制:在冲击过程中,单晶铁沿[101]和101]晶向突然收缩,同时沿[010]晶向突然扩张,从而导致体心立方到面心立方相的转变.此外,本文进一步研究了不同应力状态下单晶铁的相变机制,发现沿[101]晶向单轴压缩以及沿[101]和[101]晶向双轴压缩时铁将发生体心立方到面心立方相的转变;而沿[101]和[010]晶向双轴以及三轴压缩时将会发生体心立方到密排六方相的转变.最后进一步计算了三个相的吉布斯自由能随压力的变化,并对冲击模拟结果进行了能量分析,给出了沿[101]晶向冲击条件下高压密排相产生的原因.     

钨/石墨烯/钨面向等离子体复合材料力学和热学及其抗辐照性能的第一性原理计算研究

通过第一性原理计算研究了钨/石墨烯/钨复合材料相比于纯钨金属在力学与热学性质方面的变化，并用氦原子-空位缔合缺陷模拟核聚变辐照损伤评估等离子体辐照条件下的性能.计算结果表明:钨/石墨烯/钨复合材料的体积弹性模量、杨氏模量与剪切模量呈现一定程度的下降，但是提升了钨基材料的延展性;钨/石墨烯/钨复合材料的热膨胀系数有所增加，但是具有较高的最小热导率.本文阐述了石墨烯界面层可以对基体杂质与缺陷进行吸附的独特机制，通过这种机制，钨/石墨烯/钨复合材料在力学、热膨胀系数以及最小热导率有更低程度的衰减，这显示了钨/石墨烯/钨复合材料在抗辐照性能方面具有较大的应用潜力.     

纳米尺度硼烯与石墨烯的相互作用

硼烯作为一种性能优异的二维材料,其界面动力学行为值得探讨.本文采用解析法研究了石墨烯与六方氮化硼(h-BN)以及一种硼烯之间的相互作用.结果表明,石墨烯在六方氮化硼上滑动时, C原子和B原子之间的相互作用弱于C原子和N原子之间的相互作用.石墨烯与硼烯界面间的势能起伏明显小于石墨烯和六方氮化硼之间的势能起伏,表明其界面摩擦力可能更小.此外,石墨烯从硼烯上滑出时拉出力较小,其边界效应更弱,因此硼烯有望成为一种摩擦性能优异的二维材料.     

电磁场作用下溶质元素在镁合金AZ61的分布

通过研究不同外场作用下镁合金AZ61的凝固组织，发现在静磁场单独作用时的晶界主要由镁基体和连续的网状化合物组成，在静磁场与交流电组合外场下的晶界主要由镁基体和网状及点状Mg-Al-Zn化合物组成，而在静磁场与直流电组合外场下晶界上的连续网状化合物彻底消失，化合物以不连续的薄片形态分布于镁基体上.相对于单一静磁场作用时，静磁场与电流共同作用时提高了镁合金晶内溶质含量，降低了晶界上的溶质含量. 关键词： 镁合金 静磁场 电流 晶内溶质含量     

缺陷位置对单层石墨烯拉伸形变的影响

采用AIREBO势函数,对含有多种空位缺陷的单层石墨烯进行分子动力学拉伸模拟,计算不同空位缺陷的位置和排布结构对单层石墨烯应力-应变的影响.结果表明：石墨烯拉伸过程中空位缺陷对其力学性能影响较大.石墨烯内缺陷位置、缺陷排布对拉伸过程中发生的撕裂现象有不同程度的影响.对比分析发现,远离石墨烯边界的空位缺陷对其力学稳定性影响较大.通过控制石墨烯中缺陷的位置,可实现对其力学性能的调控.     

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构的扫描隧道显微学研究

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构因可调控石墨烯的能带结构而受到广泛关注. 本文介绍了在超高真空体系内, 利用两步生长法在两类对石墨烯分别有强和弱电子掺杂的基底, 即Rh(111)和Ir(111)上制备石墨烯-六方氮化硼单原子层异质结构. 通过扫描隧道显微镜及扫描隧道谱对这两种材料的形貌和电子结构进行研究发现: 石墨烯和六方氮化硼倾向于拼接生长形成单层的异质结构, 而非形成各自分立的畴区; 在拼接边界处, 石墨烯和六方氮化硼原子结构连续无缺陷; 拼接边界多为锯齿形型, 该实验结果与密度泛函理论计算结果相符合; 拼接界面处的石墨烯和六方氮化硼分别具有各自本征的电子结构, 六方氮化硼对石墨烯未产生电子掺杂效应.     

石墨烯-六方氮化硼异质结构近场热辐射研究

近些年来,人们在发现近场辐射传热不同于传统换热的机制后,进行了大量的理论研究和实验验证.尤其是新型材料如石墨烯以及各种超材料可以由人工制得后,近场热辐射可以得到更多的电磁调控.本文将石墨烯覆盖在半无限大六方氮化硼上,分析了石墨烯等离极化激元与六方氮化硼声子极化激元耦合产生共振的效果对近场热辐射传热的影响,结果表明覆盖石墨烯之后,六方氮化硼之间的近场热辐射有明显增强。     

非静水压条件下铁从α到ε结构相变的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,研究了三轴加载的非静水压力和静水压力对铁从体心立方结构(bcc,α相)到六角密排结构(hcp,ε相)相变压力和磁性的影响,结果发现:在0-18 GPa压力范围内,相对静水压力条件,随着压力的升高,bcc结构的原子磁矩在非静水压力下降低得更快;在非静水压力下,相变更容易发生,相变压力随着非静水压力程度的增加而降低;并且对非静水压力对相变压力影响的物理机理进行了讨论.     

非静水压条件下铁从α到ε结构相变的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法,研究了三轴加载的非静水压力和静水压力对铁从体心立方结构（bcc,α相）到六角密排结构（hcp,ε相）相变压力和磁性的影响,结果发现：在0—18 GPa压力范围内,相对静水压力条件,随着压力的升高,bcc结构的原子磁矩在非静水压力下降低得更快;在非静水压力下,相变更容易发生,相变压力随着非静水压力程度的增加而降低;并且对非静水压力对相变压力影响的物理机理进行了讨论. 关键词： 相变 非静水压力 第一性原理 铁     

有机添加剂柠檬酸与乙二胺四乙酸吸附在Mg(0001)表面的计算模拟研究

镁及镁合金具有良好的生物降解性, 生物相容性和优异的力学相容性, 作为新一代理想的可降解医用金属材料具有巨大的潜力, 但植入人体后, 极易腐蚀和降解. 本工作用密度泛函理论计算模拟方法研究了有机添加剂柠檬酸与乙二胺四乙酸在Mg(0001)表面的吸附. 通过吸附能, 分态密度, 差分电荷密度及布居电荷分析发现柠檬酸与乙二胺四乙酸在Mg(0001)表面存在强烈的Mg-O“单齿”和O-Mg-O“双齿”共价相互作用, 而乙二胺四乙酸平躺于Mg(0001)表面有最强的相互作用. 研究结论有望为在有机添加剂改善镁及镁合金生物医用材料的腐蚀及降解方面提供有用的理论指导.     

冲击压缩下金属钯的结构相变

钯作为典型高压标定材料,研究其在极端条件下的结构变化以及热力学性质具有广泛需求并充满了挑战,特别是冲击加载下钯的固-固相变过程研究仍然匮乏.本文基于嵌入原子势,使用经典分子动力学方法从原子角度揭示了冲击载荷加载下钯的结构相变路径,在0—375 GPa的压力区间观察到一系列复杂的结构转变特征,从初始的面心立方(FCC)结构,至带密排六方(HCP)结构的层错体心立方(BCC)结构,直至完全熔化.在沿<100>晶向冲击下,在70.0 GPa发现了FCC-BCC相变过程,远低于之前研究中静高压的结果.此外,还发现了冲击方向依赖的相变点,在沿着<110>及<111>晶向冲击时FCC-BCC相变压力分别增加至135.8和165.4 GPa,同时相比完美晶体,引入缺陷会使FCC-BCC相变压强值有20—30 GPa的增幅,并通过势能分布的分析予以验证.本文发现冲击加载下钯的FCC-BCC相变压力大大降低的特殊现象,为钯在高压实验等极端条件下的应用提供了新的理论认识.     

钨/石墨烯/钨面向等离子体复合材料力学与热学及耐辐照性能衰减的第一性原理计算

通过第一性原理计算研究了钨/石墨烯/钨复合材料相比于纯钨金属在力学与热学性质方面的变化，并用氦原子-空位缔合缺陷模拟核聚变辐照损伤评估等离子体辐照条件下的性能。计算结果表明：钨/石墨烯/钨复合材料的体积弹性模量、杨氏模量与剪切模量呈现一定程度的下降，但是提升了钨基材料的延展性；钨/石墨烯/钨复合材料的热膨胀系数有所增加，但是具有较高的最小热导率。本文阐述了石墨烯界面层可以对基体杂质与缺陷进行吸附的独特机制，通过这种机制，钨/石墨烯/钨复合材料在力学、热膨胀系数以及最小热导率有更低程度的衰减，这显示了钨/石墨烯/钨复合材料在抗辐照性能方面具有较大的应用潜力。     

基于VO2和石墨烯实现hBN声子极化激元和自发发射率的主动调谐

鉴于极化激元对介电环境异常敏感的特性,本文中提出了双曲材料六方氮化硼(hBN)和石墨烯与相变材料二氧化钒(VO₂)组成的异质结构,用来研究hBN声子极化激元(PhPs)的主动可调谐性.研究结果表明,通过控制hBN/VO₂异质结构中VO₂相变可实现对hBN PhPs的主动调谐,获得主动可调谐的自发发射(SE)率.当在hBN/VO₂异质结构中添加石墨烯时,会在hBN双曲线带内耦合产生双曲等离子体-声子极化激元(HPPPs),而在双曲线带外产生表面等离子体-声子极化激元(SPPPs),通过控制VO₂相态和调节石墨烯化学势亦可实现石墨烯/hBN/VO₂异质结构的耦合色散及SE率的主动调谐.该研究为使用诸如相变材料和石墨烯等功能材料调谐各向异性光学材料与光的相互作用机制提供了理论指导.