基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp$^{2}$杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低. 研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.      

不同晶向金属纳米线拉伸力学性能分子动力学研究

在经典等温分子动力学框架下,采用位移控制加载方式,准静态数值模拟常温金属纳米线单向拉伸,研究了面心立方晶格(FCC)单晶金属铜纳米线的弹塑性力学性能.研究发现,,不同晶向的纳米线拉伸呈现不同变形力学性能,具有不同的屈服性能和等效弹性刚度.晶向拉伸具有最高的屈服强度,晶向次之,晶向屈服强度最小.特别发现晶向屈服应变最大,而晶向和晶向的屈服应变相近,且比晶向屈服应变的一半还要小.不同晶向的等效弹性模量顺序为E>E>E.通过分析晶向不同纳米线对应不同表面情况、变形过程中位错局部结构具有不同的演化方式、位错发射相关的临界分解剪应力不同,解释了纳米线弹塑性变形的机理.     

Stone-Wales拓扑缺陷对石墨烯拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对含Stone-Wales(SW)拓扑缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,分别研究了SW拓扑缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响.研究结果表明,单个SW缺陷对两种手性石墨烯薄膜的杨氏模量几乎无影响,而对薄膜的强度、应变等力学性能和变形破坏机制的影响与手性有关.对于扶手椅型石墨烯薄膜,单个SW缺陷降低了薄膜的拉伸强度和拉伸极限应变,降低幅度分别为5.04%和7.07%.在外载作用下,新的缺陷的萌生位置出现在SW缺陷附近;而对于锯齿型石墨烯薄膜,单个SW缺陷基本不影响薄膜的力学性能和变形破坏机制.     

高强铝合金的动态拉伸断裂行为实验研究

采用不同的冲击加载方式对棒材铝合金(2024-T4、7075-T6)进行动态拉伸断裂实验研究.单轴动态拉伸加载下7075 T6的初始屈服应力与断裂应变明显高于2024 T4,但三点弯曲和层裂实验中,2024 T4表现出更好的抗裂纹扩展与层裂失效能力.断口扫描电镜分析发现:2024-T4中孔洞或裂纹主要成核于晶内强化相,形成穿晶断裂,而7075-T6部分孔洞或裂纹在晶界成核增长形成沿晶断裂,部分孔洞或裂纹在晶内强化相周成核形成穿晶断裂.     

基于矿渣粉与氧化石墨烯协同效应的水泥基材料冻融损伤力学性能研究

单掺氧化石墨烯(Graphene Oxide,简称GO)会造成水泥基材料流动性劣化,而将它与其他矿物如矿渣粉(Slag Powder,简称SP)掺合时,可协同增强水泥基材料的流动性和力学性能。为此,本文通过复掺GO和SP制备了一种新型水泥基材料,并对其流动性、冻融损伤特性、力学性能及微观结构进行了系统研究。结果表明:SP的加入可有效改善GO/水泥基材料的流动性;随冻融循环次数增加,复掺GO和SP水泥基材料的质量损失率、相对动弹性模量、抗折和抗压性能等因素劣化趋势明显降低,尤其在75次冻融循环后,复掺GO和SP对抗折和抗压强度的衰减表现出较强的抑制效应。这表明GO和SP协同作用可有效提高水泥基材料的冻融损伤力学性能。从流动性、冻融损伤力学性能测试结果可知,掺量分别为0.05%和50%的GO和SP对水泥基材料的协同效应最为明显。基于SEM观测可将以上结果解释为:GO和SP可协同优化生成物的形貌和结构,有效减少微裂纹、孔洞等微观缺陷,使得微观结构更加致密,从而大幅提高水泥基材料的耐久性和力学性能。研究结果可为该水泥基材料的理论研究和工程应用提供参考。     

轴向拉伸下氮化钛纳米杆变形机制及力学性能的分子动力学研究

本文使用分子动力学软件包lammps并采用第二近邻改进型嵌入原子法(2NN MEAM)模拟了单晶氮化钛纳米杆的轴向拉伸破坏过程,分析了分别沿[100]、[111]晶向的不同截面尺寸、不同拉伸应变率、不同温度下的氮化钛纳米杆的力学性能,详细描述了氮化钛纳米杆拉伸变形过程。研究发现, 拉伸晶向、截面尺寸、拉伸应变率及温度均会对TiN纳米杆的拉伸变形过程及屈服强度、弹性模量等力学性能产生不同程度的影响。 沿[100]晶向的拉伸,截面尺寸越大,屈服强度越低;而沿[111]晶向,截面尺寸越大,屈服强度越大。应变率越大,屈服强度及屈服应变越大,但对于弹性模量几乎无影响。温度越高,材料的屈服强度、屈服应变及弹性模量越小,断裂应变越大。不同拉伸条件下的氮化钛纳米杆的拉伸过程均包括弹性变形、塑性变形与断裂阶段。[100]晶向的弹性模量都要高于[111]晶向。     

多晶石墨烯拉伸力学性能及其影响因素的灵敏度分析

晶粒尺寸、温度和应变率等对纳米材料的力学性能有重要影响。本文通过分子动力学（MD）数值模拟,分析了不同晶粒尺寸多晶石墨烯在不同温度、拉伸应变率下的杨氏弹性模量、极限应力、极限应变等拉伸力学性能。结果表明,晶粒尺寸、温度和拉伸应变率对拉伸力学性能有较大影响。利用正交实验法,分别分析了杨氏弹性模量、极限应力和极限应变对晶粒尺寸、温度和拉伸应变率的敏感程度。结果表明,杨氏弹性模量和极限应力对影响因素的敏感程度由大到小依次为晶粒尺寸、温度和拉伸应变率;极限应变对影响因素的敏感程度由大到小依次为晶粒尺寸、拉伸应变率和温度。研究结果可为多晶石墨烯的理论研究和工程应用提供参考。     

基于分子动力学的石墨烯涂层铜基体摩擦性能研究

石墨烯作为一种新型润滑添加物,在降低金属的摩擦损耗方面有广泛的应用前景。本文利用分子动力学方法建立单晶铜(Cu)和石墨烯/铜(Gr/Cu)模型,用以研究石墨烯(Gr)涂层对于Cu摩擦性能的影响,揭示其润滑机理。结果表明:由于Gr的加入,Cu的摩擦系数在不同压深下降低了64.4%～72.9%。研究发现,摩擦力的大小与压头压入基体的深度密切相关,而与是否具有Gr涂层关系较小。Gr涂层对于Cu摩擦性能提升的根本原因在于增强了基体表面对于法向力的耐受性而非直接降低摩擦力,这使Gr/Cu形成了较小的摩擦系数,表现出优异的摩擦性能。此外,Gr涂层可以有效改善Cu摩擦后的表面形态,与Cu表面受摩擦后大量的原子堆积和明显的刻划痕迹相比,Gr/Cu基体表面更加平滑。但是在相同的压深下,由于Gr/Cu压头下方聚集的应变能无法像Cu晶体一样通过位错向表面运动而释放,导致其内部出现了较大的原子缺陷区域。     

褶皱与晶界耦合作用对石墨烯断裂行为的影响

由CVD方法制备的石墨烯含有大量的晶界,通常还带有许多褶皱,本文通过分子动力学方法研究了具有褶皱和晶界的石墨烯平面拉伸断裂行为,结果显示,在垂直晶界方向,褶皱能够显著提高小角度双晶石墨烯的断裂应力,断裂应力增幅最大约为50%,褶皱对断裂应力的影响随晶界角的增大减弱,导致双晶石墨烯断裂应力对晶界角不敏感,只略低于单晶石墨烯,和实验结果完全吻合;在沿晶界方向,褶皱对双晶石墨烯断裂应力影响不明显.另外,褶皱可以显著提高双晶石墨烯的断裂应变,增幅最大约为100%.增强机制归纳主要如下:通过面外变形,褶皱可以部分释放晶界5-7环中C—C键的预拉伸变形,提高双晶石墨烯的断裂应力;褶皱可以降低相邻5-7环之间相互作用,导致断裂应力对晶界角不敏感;在拉伸作用下,褶皱被部分拉平,这可以显著降低C—C键面内拉伸变形,导致断裂应变显著增大.本研究为准确理解多晶石墨烯断裂行为提供重要帮助.     

褶皱与晶界偶合作用对石墨烯断裂行为的影响

由CVD方法制备的石墨烯含有大量的晶界,通常还带有许多褶皱,本文通过分子动力学方法研究了具有褶皱和晶界的石墨烯平面拉伸断裂行为,结果显示,在垂直晶界方向,褶皱能够显著提高小角度双晶石墨烯的断裂应力,断裂应力增幅最大约为50%,褶皱对断裂应力的影响随晶界角的增大减弱,导致双晶石墨烯断裂应力对晶界角不敏感,只略低于单晶石墨烯,和实验结果完全吻合;在沿晶界方向,褶皱对双晶石墨烯断裂应力影响不明显.另外,褶皱可以显著提高双晶石墨烯的断裂应变,增幅最大约为100%.增强机制归纳主要如下:通过面外变形,褶皱可以部分释放晶界5-7环中C—C键的预拉伸变形,提高双晶石墨烯的断裂应力;褶皱可以降低相邻5-7环之间相互作用,导致断裂应力对晶界角不敏感;在拉伸作用下,褶皱被部分拉平,这可以显著降低C—C键面内拉伸变形,导致断裂应变显著增大.本研究为准确理解多晶石墨烯断裂行为提供重要帮助.     

褶皱与晶界耦合作用对石墨烯断裂行为的影响

由CVD方法制备的石墨烯含有大量的晶界,通常还带有许多褶皱,本文通过分子动力学方法研究了具有褶皱和晶界的石墨烯 平面拉伸断裂行为,结果显示,在垂直晶界方向,褶皱能够显著提高小角度双晶石墨烯的断裂应力,断裂应力增幅最 大约为50%,褶皱对断裂应力的影响随晶界角的增大减弱,导致双晶石墨烯断裂应力对晶界角不敏感,只略低于单晶石墨 烯,和实验结果完全吻合;在沿晶界方向,褶皱对双晶石墨烯断裂应力影响不明显. 另外,褶皱可以显著提高双晶石墨烯的断 裂应变,增幅最大约为100%. 增强机制归纳主要如下:通过面外变形,褶皱可以部分释放晶界5-7环中C---C键的预拉伸变形, 提高双晶石墨烯的断裂应力;褶皱可以降低相邻5-7环之间相互作用,导致断裂应力对晶界角不敏感;在拉伸作用下,褶皱被部分 拉平,这可以显著降低C---C键面内拉伸变形,导致断裂应变显著增大. 本研究为准确理解多晶石墨烯断裂行为提供重要帮助.      

基于气压鼓泡法研究石墨烯力学性能

通常假设二维材料为连续介质薄膜,然后采用连续介质薄膜的研究方法进行二维材料力学性能研究,其中气压鼓泡法是一种主要测试方法．但实验观测发现,悬空石墨烯并非处于气压鼓泡测试分析模型中假设的固支边界条件,而是处于一种粘附边界条件：靠近孔壁边界处,有小部分材料通过范德华吸引粘附在基底柱形孔的侧壁上,而且粘附部分可以在极小载荷作用下剥离．这导致石墨烯悬空部分的实际半径大于基底孔半径,即鼓泡实验中的石墨烯是一种松弛薄膜,而非通常认为的预拉伸薄膜．通过有限元数值模拟研究发现,可基于含有名义松弛应变的鼓泡分析模型获得处于粘附边界条件下的石墨烯弹性模量．     

氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料摩擦学行为及机理研究

将氧化石墨烯(GO)原位引入4.4′-二氨基二苯醚(ODA)和3.3′,4.4′-联苯四甲酸二酐(BPDA)制备的聚酰亚胺中,得到氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料. 利用扫描电镜、红外光谱仪、高温同步热分析仪、万能试验机以及纳米划痕仪对所制备材料的形貌、组成以及热力学性能进行表征;利用多功能摩擦磨损试验机对比考察聚酰亚胺和氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料摩擦学性能. 结果表明:氧化石墨烯的加入显著提高了聚酰亚胺的模量和硬度;当GO的质量分数为0.1%和0.3%,复合材料的摩擦学性能较好. 研究发现,摩擦过程中金属对偶表面形成的转移膜对聚酰亚胺复合材料的摩擦学性能起重要作用.      

20#钢动态拉伸断裂行为及其临界损伤度研究

首先对一维应变平面冲击载荷下20#钢的动态拉伸断裂行为进行了实验研究,考察了加载应力和拉伸应变率影响;然后基于损伤度函数模型,对实验进行了数值模拟研究,结果表明:模型中定义的特征物理量-断裂临界损伤度与外载荷条件(加载应力和拉伸应变率)的无关性或不敏感性;最后.采用Ls-dyna动力有限元程序并嵌入损伤度函数模型,对滑移爆轰下20#钢柱壳内爆驱动层裂进行二维数值模拟研究,结果表明:一维应变平面层裂实验和模型计算确定的损伤模型参数,也适用于描述柱壳构形复杂应力环境下的动态拉伸断裂问题.从而初步证实了断裂临界损伤度可以看作是一个表征延性金属动态拉伸断裂的内禀物性参数.     

多层氧化石墨烯-水泥基复合材料的力学性能与微观结构

研究了大片径多层氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)对水泥砂浆力学性能和微观结构的影响。发现掺入多层GO对水泥砂浆的抗压强度和抗折强度增强效果明显。随着GO掺量的增加,水泥砂浆的抗压强度和抗折强度呈现出先增大后减小的趋势。通过SEM观察其微观结构,发现GO作为载体,促使花状晶体和针状晶体等水化产物的生成,并且调节水泥的水化产物规则生长,形成致密结构。此外,GO纳米片可以形成阻止裂纹扩展的屏障,抑制裂纹在水泥砂浆中的传播,增强水泥砂浆的力学性能。相比于小片径薄层GO,大片径多层GO对水泥基材料性能的增强效果明显,经济实用性更高。     

多层氧化石墨烯的三维弹性常数及氧化度对力学性能的影响

宏观氧化石墨烯膜由多层石墨烯组成,其法向拉伸和层间剪切性能远比面内性能低。本文视多层氧化石墨烯为一种特殊的三维正交各向异性材料——横观各向同性材料,通过建立羟基和环氧基在石墨烯表面随机分布的多层氧化石墨烯三维模型,采用分子动力学方法模拟多层氧化石墨烯的面内拉伸、法向拉伸和层间剪切行为,分别得到了多层氧化石墨烯材料的全部五个独立弹性常数E2、E3、μ12、μ32和G23,进而确定了三维弹性矩阵（柔度矩阵和刚度矩阵）,并进一步分析了氧化度对弹性常数和强度的影响规律。结果表明：随着氧化度R逐步增大,多层氧化石墨烯面内杨氏模量E2和拉伸强度σ2max逐步降低,法向杨氏模量E3和拉伸强度σ3max、层间剪切模量G23和剪切强度τ23max均逐步增大,而对泊松比的影响较小;拉伸和剪切断裂破坏位置由氧化基团(羟基和羧基)与碳原子结合键能大小所决定。     

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程,对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展,然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟,研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明,不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能,这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品,在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化;含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂,裂尖原子没有出现微结构的变化,其强度和抗断裂性能最低。此外,不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化,对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样,高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样,高应力不仅分布在裂尖,也分布在位错发射和堆积层错形成的区域,在裂纹/孔洞扩展之前,应力随着加载时间的增加而迅速增加,而一旦裂纹或孔洞开始扩展,应力增加非常缓慢或几乎不增加,但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明,在I型...     

缺陷对石墨烯摩擦性能影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟硅探针在空位缺陷和Stone-Wales(SW)缺陷石墨烯上的滑移过程,研究空位缺陷和SW缺陷对石墨烯摩擦力的影响.研究结果表明:两种缺陷石墨烯摩擦力大于完美石墨烯,空位缺陷使石墨烯界面势垒增大导致能量耗散增加,摩擦力增大;SW缺陷使石墨烯表面形成凸起,阻碍探针滑移,摩擦力增大.空位缺陷石墨烯平均摩擦力随缺陷浓度的增加而增加,Y向空位缺陷石墨烯平均摩擦力大于X向,这都是由空位陷处能量势垒和缺陷与探针切向作用距离共同决定的.SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于SW1型,X向SW2型缺陷石墨烯摩擦力大于Y向SW2型,因为存在相邻五边形碳原子环结构的石墨烯表面更容易产生凸起,摩擦力较大.以上研究结果完善了缺陷石墨烯的摩擦机制,对设计和开发石墨烯微纳器件提够了理论依据和指导.     

氢键对氧化石墨烯复合结构层间剪切行为影响研究

针对氧化石墨烯层状复合结构性能优化设计要求及其对环境湿度的高敏感性,开展了氧化石墨烯在湿润环境下的层间剪切行为研究.首先,采用连续力学理论,获取不同氧化浓度时氧化石墨烯层状结构层间粘结能、层间氢键相互作用能及剪切应力表达式;所获得的层间能量理论值与分子动力学模拟结果基本一致.其次,通过在氧化石墨烯层间加入不同含量水分子...