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。     

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.     

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.     

含有断裂缺陷的复合材料壳体的力学行为

利用湿法缠绕制备了玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料壳体,通过拉伸、双悬臂梁和三点端部开口弯曲试验对该复合材料层合板进行基本力学性能评估,得到强度和刚度参数并用于有限元模拟中。同时,在Abaqus中建立了含有不同深度断裂缺陷复合材料壳体的三维渐进损伤有限元模型,预测内压作用下壳体的力学响应。试验和模拟结果表明:复合材料主向拉伸强度为(222.7±18)MPa,弹性模量为39.39 GPa,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性层间强度分别为(4.67±0.24)和(4.98±0.26)kJ/m~2。随着内压增大,Mises应力也不断增大;当断裂缺陷在最深层(接近内压的第一层,深度为18 mm)时,Mises应力最大;当内压为0.3 MPa时,Mises应力高达28.8 MPa,且周向应变小于纵向应变。     

低浓度氧化石墨烯改性环氧树脂基碳纤维层合板的拉伸性能

将氧化石墨烯(GO)均匀分散到环氧树脂(EP)中,采用真空辅助树脂传递模塑成型的工艺方法制备增强碳纤维(CF)复合材料,研究常温下不同浓度(质量分数为0、0.03%、0.07%和0.10%)GO改性EP/CF层合板的抗拉性能和微观胶联性能,探究低浓度GO对CF增强复合材料力学性能明显改善的阈值。实验结果表明:GO对CF增强环氧复合材料的性能有明显改善作用,与纯环氧基CF层合板相比,随着GO浓度增加,其抗拉性能随之增强;GO官能团可以提高EP基体与CF的结合程度,通过扫描电镜观察到加入GO的层合板中CF与EP的黏结更加紧密,使得啮合效果更强,从而提高了复合材料层合板的拉伸强度;低浓度GO改性下,当GO的质量分数达到0.07%时,层合板的力学性能得到明显改善。     

定向碳纳米管/橡胶复合材料导热性能研究

基于连续介质理论建立了定向碳纳米管/橡胶(CNTs/Rubber)复合材料的代表体积元(RVE)模型,借助有限元方法(FEM)进行数值计算获得复合材料的等效热导率。将数值计算结果与Nielsen模型与Ce-WenNan模型预测值对比,验证了模型的有效性。基于此模型研究了CNTs体积分数及界面热阻对复合材料导热性能的影响。研究发现,在低填充量(0.2%~1%)下,复合材料的热导率随着填充量的增加而增大,且增大幅度随着体积分数的增大而逐渐减小;界面热阻的存在阻碍了CNTs与橡胶基体之间的热传递,对复合材料的热导率有很大的影响,另外在不同体积分数下,随着界面热阻的增大,复合材料热导率都先开始减小,当界面热阻降低到一定大小时,复合材料的热导率随着界面热阻的增大都基本保持不变。     

石墨烯制备方法及粒径对复合材料热导率的影响

石墨烯是由碳原子构成的单原子厚度的二维层状材料,具有许多优异的性能,是当前国内外研究热点之一,受到物理、化学、材料、电子、能源、生物和信息技术等领域的广泛关注。石墨烯是目前所测得导热系数最高的材料,在强化传热领域具有潜在的应用价值。较为系统地研究了石墨烯的制备方法及石墨的粒径对环氧树脂复合材料热导率的影响。实验发现,所采用的三种插层剂(硫酸、十四烷基胺及FeCl3)中,添加量较少时(如体积分数为1%),十四烷基胺插层法最为有效。而添加量较高时,硫酸插层制备的石墨烯纳米片效果最佳。制备石墨烯纳米片所采用的石墨粒径较大时,石墨烯/环氧树脂(Epoxy)复合材料的热导率越高。通过优化石墨烯的制备方法,石墨烯纳米片在体积分数为3.9%时,其热导率可达0.94 W·m~(-1)·K~(-1)),比基体材料提高了2.6倍。     

单层单晶石墨烯与柔性基底界面性能的实验研究

单晶石墨烯具有更优异的力学及电学性能,有望成为新一代柔性电子器件的核心材料.因此,有必要从实验的角度精细分析化学气相沉积法制得的大尺度单晶石墨烯与柔性基底复合结构的界面力学行为.本文通过显微拉曼光谱实验方法测量了不同长度的单层单晶石墨烯/PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基底的界面力学性能参数及其在长度方向上界面边缘的尺度效应.实验给出了石墨烯在PET基底加载过程中与基底间黏附、滑移、脱黏三个界面状态的演化过程与应力分布规律.实验发现,单晶石墨烯与柔性基底间由范德瓦耳斯力控制的界面应变传递过程存在明显的边缘效应,并且与石墨烯的长度有关.界面的切应力具有尺度效应,其值随石墨烯长度的增加而减小,而石墨烯界面传递最大应变以及界面脱黏极限则不受试件尺度的影响.     

石墨烯/柔性基底复合结构双向界面切应力传递问题的理论研究

界面力学性能是影响石墨烯/柔性基底复合结构整体力学性能的关键因素,因此对该结构界面切应力传递机理的研究十分必要.考虑了石墨烯和基底泊松效应的影响,本文提出了二维非线性剪滞模型.对于基底泊松比相比石墨烯较大的情况,利用该模型理论研究了受单轴拉伸石墨烯/柔性基底结构的双向界面切应力传递问题.在弹性粘结阶段,导出了石墨烯双向正应变和双向界面切应力的半解析表达式,分析了不同位置处石墨烯正应变和界面切应力的分布规律.导出了石墨烯/柔性基底结构发生界面滑移的临界应变,结果表明该临界应变低于利用经典一维非线性剪滞模型得到的滑移临界应变,并且明显受到石墨烯宽度尺寸以及基底泊松比大小的影响.基于二维非线性剪滞模型建立有限元模型(FEM),研究了界面滑移阶段石墨烯双向正应变和双向界面切应力的分布规律.与一维非线性剪滞模型的结果对比表明,当石墨烯宽度较大时,二维模型和一维模型对石墨烯正应变、界面切应力以及滑移临界应变的计算结果均存在较大差别,但石墨烯宽度很小时,二维模型可近似被一维模型代替.最后,通过与拉曼实验结果的对比,验证了二维非线性剪滞模型的可靠性,并得到了石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底结构的界面刚度(100 TPa/m)和界面剪切强度(0.295 MPa).     

固体滑移界面的超声评价

为评价固体滑移界面的特性,根据QSM界面模型和粘滞流体的本构方程导出了滑移界面的界面劲度系数及垂直入射到固体滑移界面的超声纵波和SH波的反射系数公式,其中纵波的反射系数与滑移界面层的绝热体积弹性模量、粘滞系数和入射声波的频率有关,而SH波的反射系数与界面层的绝热体积弹性模量和入射波的频率无关。因此,可以用SH波直接评价界面的不同粘滞状态,且不受检测频率的限制。要评价界面的绝热体积弹性模量,则必须增加纵波检测。利用蜂蜜和水模拟不同滑移界面层的声波反射实验验证了上述理论结果。     

高压烧结镀Cr、Ti膜金刚石/铜复合材料热导率研究

 采用磁控溅射方法,在金刚石表面镀覆活性金属Cr膜和Ti膜,在高温高压下合成了镀活性金属膜金刚石/铜复合材料。实验发现,活性金属的加入增强了金刚石与铜界面间的结合强度,减少了界面热阻,提高了复合材料的热导率。复合材料热导率随着金刚石体积分数的增加而降低,随着金刚石的粒度增大而提高。这主要是由界面热阻引起的,可以通过增大金刚石粒度和改善界面状态来提高复合材料热导率。     

含有小尺寸分层缺陷复合材料压力容器的应变响应及分析

采用乙烯基酯树脂预浸料,利用缠绕法制造了ECR耐腐蚀玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料压力容器,在水压试验过程中基于电测法测量压力容器筒体的应变变化情况,结合Abaqus/Explicit有限元模拟重点预测了含有内部分层缺陷的压力容器在外载荷作用下的应变响应。试验和模拟结果表明:该有限元模型的结果与实验结果的相对误差小于12%;当含有内部分层缺陷(缺陷直径分别为10、20、30、40和50 mm)的复合材料压力容器受到位移载荷时,周向应变是主要应变,最大纵向应变和Mises应力位置与加载位置重合,且最大Mises应力随分层面积的增加而增大。     

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.     

基于原位测量的复合材料冲击损伤定位

针对连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板和玻璃纤维(GF)增强环氧树脂基复合材料层合板两类典型结构,开展了基于原位测量的冲击损伤定位研究。利用碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板自身的导电性,设计了电极阵列,考察了板厚对定位结果的影响;对于不导电玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板,设计并制备了多壁碳纳米管涂覆的玻璃纤维束(MWCNT@GF)传感器,并将MWCNT@GF嵌入层合板中形成传感网络,考察了不同入射角度对定位结果的影响。对于上述两种方法,编制了冲击损伤成像算法。结果表明:利用冲击前后碳纤维自身电阻和嵌入MWCNT@GF传感器的方法,可准确定位碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板和玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板的冲击损伤。     

石墨烯/碳化硅异质界面热学特性的分子动力学模拟

为了调控石墨烯/碳化硅异质界面传热特性,采用非平衡态分子动力学方法研究温度、尺寸、材料缺陷率对界面热导的影响,通过声子态密度和声子参与率对界面热导变化的原因进行阐述分析.研究表明:两种界面作用力下界面热导均随温度升高而增大,但共价键的异质界面热导要高于范德瓦耳斯作用力下的界面热导.异质界面的界面热导随着碳化硅层数的增加而降低,当层数从10层增加到20层时,界面热导下降30.5%;4层时异质结构界面热导最低,分析认为中低频段更多的声子从局域进入离域模式.空位缺陷的引入可以有效地提高界面热导,随着碳化硅和石墨烯缺陷率的增加,界面热导均先升高再降低.300 K时当碳化硅和石墨烯缺陷率分别为20%和35%时界面热导达到最大值,分析认为缺陷的引入会阻碍中频声子的热输运.研究结果揭示可以通过尺寸效应和空位缺陷来进行异质界面的改性研究,有利于第三代半导体微纳器件的设计和热管理.     

石墨烯与纳米颗粒协同提高复合体系热导率

本文详细阐述了石墨烯和球形纳米颗粒间提高复合物热导率的协同效应。石墨烯和纳米颗粒在复合物中可形成紧密堆积结构,该结构阻止了石墨烯的团聚。二维的石墨烯能够在纳米颗粒之间架桥,为复合体系提供了更加有效的声子传输通道,降低了界面热阻。当石墨烯添加量为质量分数1.0%时,导热硅脂的热导率达到了3.45 W/(m·K),EVA复合材料的热导率达到了2.41 W/(m·K);在PC/ABS基体中,石墨烯添加质量分数0.5%时,热导率达到3.11 W/(m·K);在环氧树脂基体中,当负载银的石墨烯填充量为质量分数5.0%时,热导率到达了0.95 W/(m·K)。     

BN&Al2O3/环氧树脂复合材料粘接层对LED灯结温的影响

自制BN/EP(环氧树脂)复合材料和Al₂O₃/EP复合材料作为LED灯PCB板和散热铝块之间的粘接层材料,采用精密钻孔的方法用高精度测温仪测量LED灯正常工作时的温度分布,讨论粘接层对结温的影响,并与COMSOL Multiphysics软件模拟结果进行对比分析。实验测量LED结温与模拟结温变化趋势基本一致,结温会随着粘接层厚度的增加而上升、随着粘接层复合材料热导率的增加先快速降低而后趋于平缓。最终得到PCB板和散热铝块间最佳粘接层厚度和粘接层复合材料配比,当BN的质量分数为60%时,BN/EP复合材料粘接层的热导率最高,此时LED结温为75.2 ℃,比纯环氧树脂粘接层LED的结温降低了27.6 ℃。而Al₂O₃/EP复合材料粘接层LED的最低结温为78.2 ℃,此时Al₂O₃的质量分数为50%。     

退火温度调控多层折叠石墨烯力学性能的分子动力学模拟

退火是石墨烯宏观组装材料常用的制备工艺之一,广泛用于其性能的调控.在石墨烯基材料中,石墨烯片层由于其自身的二维特性通常在微纳米尺度下呈现出多层折叠的结构.然而这种微观结构对材料力学性能退火调控的影响仍未得到充分的了解.为了阐明多层折叠石墨烯力学性能与退火温度间的调控关系,基于分子动力学模拟研究了材料弹性模量、拉伸强度、极限应变以及断裂韧性等关键力学性能参数随退火温度的变化规律,进而结合观察微观结构的演化过程揭示了性能调控现象的物理机制.结果表明:更高的退火温度将增强多层折叠石墨烯的弹性模量与拉伸强度,但同时削弱了其极限应变,并且其断裂韧性能够在一定退火温度范围内实现强化.研究发现,以上力学性能的调控作用归因于更高的退火温度将造成更加密集的层间交联,从而增强了折叠区域层间界面的相互作用,并限制了折叠结构的形态展开,致使结构破坏模式发生转变.     

金刚石/环氧树脂复合物热导率的分子动力学模拟

提高环氧树脂热界面材料热导率对解决5G等微电子芯片高热流密度散热问题具有重要意义.采用非平衡态分子动力学方法,重点研究了纳米金刚石填料的不同填充方式对环氧树脂基复合物热导率的影响.结果表明,单颗粒填充方式下,复合物热导率随金刚石尺寸的增大而增大,大尺寸金刚石填料可以降低复合物的自由体积分数,对热导率的提升效果更显著;多颗粒填充方式下,复合物热导率随颗粒数的增多呈先增大后减小的趋势,增加颗粒数可以减小复合物的自由体积分数,但具有更大的比表面积及界面热阻,其对热导率的削弱作用更为显著.此外,同一质量分数下,增大纳米金刚石颗粒尺寸比增加颗粒数对复合物热导率的提升效果更为显著.本文研究对具有高热导率的纳米金刚石/环氧树脂复合物热界面材料的设计和制备具有指导意义.     

纳米尺度下Si/Ge界面应力释放机制的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了纳米尺度下硅(Si)基锗(Ge)结构的Si/Ge界面应力分布特征,以及点缺陷层在应力释放过程中的作用机制.结果表明:在纳米尺度下, Si/Ge界面应力分布曲线与Ge尺寸密切相关,界面应力下降速度与Ge尺寸存在近似的线性递减关系;同时,在Si/Ge界面处增加一个富含空位缺陷的缓冲层,可显著改变Si/Ge界面应力分布,在此基础上对比分析了点缺陷在纯Ge结构内部引起应力变化与缺陷密度的关系,缺陷层的引入和缺陷密度的增加可加速界面应力的释放.参考对Si/Ge界面结构的研究结果,可在Si基纯Ge薄膜生长过程中引入缺陷层,并对其结构进行设计,降低界面应力水平,进而降低界面处产生位错缺陷的概率,提高Si基Ge薄膜质量,这一思想在研究报道的Si基Ge膜低温缓冲层生长方法中初步得到了证实.