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.     

表面氢对裂纹扩展的影响

暴露于含氢环境的金属表面会吸附氢原子,从而影响材料性能,一定情况下会导致氢脆.这篇文章主要通过分子动力学研究氢从α-Fe自由表面扩散到裂纹面的过程、和表面氢对裂纹扩展的影响.结果表明,在室温下,吸附在表面的氢原子很难直接从自由表面扩散到内部成为溶解氢;自由表面的氢原子会逐步向裂纹表面扩散,最后富集在裂纹表面和自由表面.当表面氢浓度较低时,氢对裂纹扩展影响很小,但是当裂纹表面的氢达到一定浓度时,会导致裂纹失稳扩展,造成严重的氢脆.     

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.     

强脉冲磁场冲击处理对铝基复合材料塑性的影响机制

铝基复合材料在加入颗粒相之后, 延伸率和塑性变形能力明显降低. 为改善其塑性变形能力, 通过对比强脉冲磁场冲击处理前后试样内部组织和残余应力的变化特征, 研究了磁致塑性效应对铝基复合材料塑性变形能力的影响机理. 结果表明: 当磁感应强度从2 T变化到4 T时, 铝基复合材料中位错密度显著增加, 4 T时的位错密度是未加磁场时的3.1倍; 3 T, 30个脉冲处理后的复合材料中残余应力值从未加磁场时的41 MPa减小为-1 MPa. 从原子尺度来看, 强磁场导致了磁致塑性效应, 从而引起了位错的运动, 并促进了位错的退钉扎和可移动位错数量的增加; 从材料内部整体结构变化来看, 磁场加速了材料内应力的释放速率, 降低了材料内部的残余应力, 从而改善了铝基复合材料的塑性变形能力.     

氮掺杂对石墨烯摩擦学特性影响的分子动力学模拟

掺氮石墨烯具有良好的应用前景,但对其摩擦学特性的研究仍较为缺乏.本文采用分子动力学方法研究了氮掺杂对石墨烯摩擦学特性的影响.结果表明在公度、非公度的界面结构下,氮掺杂对石墨烯摩擦特性的影响呈现相反的趋势.界面结构为公度状态时,氮原子的引入导致了局部非公度状态,因而界面势垒降低、摩擦减小.界面公度性的改变、层间氮原子和碳原子的范德瓦耳斯力作用对界面摩擦的影响相反,在二者的共同作用下,随氮掺杂比例的升高,掺氮石墨烯体系的界面摩擦力呈现先增大再减小的趋势.界面结构为非公度状态时,氮原子的引入对界面摩擦的影响主要体现在原子类型的变化,界面摩擦随氮掺杂比例的增大而增大.存在空位缺陷的石墨烯体系的摩擦最大,掺杂氮原子对于降低缺陷石墨烯体系的摩擦具有积极意义.     

势能模型对石墨烯导热性质分子动力学模拟的影响

针对常用的Tersoff势、Rebo势和Airebo势,系统性地分析势能模型对分子动力学模拟计算石墨烯色散关系、声子态密度、群速度和热导率的影响. 结果表明：Rebo势和Airebo势描述的声子色散关系接近实验值,Airebo势对应的声子态密度与第一性原理计算的结果较为符合,Rebo势和Airebo势计算的Γ点处声子群速度高于Tersoff势. 采用Airebo势得到石墨烯热导率约为1 150 W·（m·K）^-1,与实验值相近. 综合各种影响,相比于Tersoff势和Rebo势,Airebo势能模型更适合计算石墨烯的导热性质.     

石墨烯/银纳米复合材料的制备及其影响因素研究

以硝酸银、鳞片石墨为原料, 在强碱环境下, 制备得到石墨烯/银纳米复合材料, 采用X射线衍射、红外吸收光谱、透射电子显微镜、紫外可见分光光度计对所制备的石墨 烯/银纳米复合材料进行了表征.结果表明: 氧化石墨烯和银离子在强碱NaOH的作用下, 氧化石墨烯失去部分含氧官能团, 被部分还原为石墨烯(rGO), 银离子被还原为纳米银颗粒, 均匀分布在氧化石墨烯片层表面, 颗粒大小和分布受硝酸银用量、反应温度、NaOH的加入顺序及前驱物混合方式等因素影响, 在GO与Ag粒子质量比为 1:1.08时, 负载在石墨烯片层上的银纳米颗粒集中在12 nm左右. 关键词： 石墨烯/银纳米复合材料 强碱溶液     

极低温下Nb3Sn超导体单晶裂纹动态扩展模拟

研究Nb₃Sn超导体的损伤断裂行为对于揭示超导临界性能弱化背后的力学机制具有重要的意义。采用分子动力学模拟方法,研究了极低温下不含裂纹和含中心裂纹的Nb₃Sn单晶在力学拉伸变形作用下的断裂机制和裂纹扩展行为,同时分析了应变率效应对Nb₃Sn单晶断裂机制与裂纹扩展行为的影响。结果表明：不含裂纹的Nb₃Sn单晶在结构受力后出现滑移,滑移带上位错塞积导致应力集中,应力集中使原子键断裂从而萌生裂纹致使Nb₃Sn单晶断裂;而含中心裂纹的Nb₃Sn单晶则由于裂纹尖端应力集中使得原子键断裂形成微裂纹,裂纹扩展致使Nb₃Sn单晶断裂。Nb₃Sn单晶在不同的应变率下表现出不同的断裂机制,在低应变率下表现为脆性断裂,而在高应变率下表现为韧性断裂。     

孔洞和空位对单晶铝力学性能影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟含孔洞的单晶铝单轴拉伸过程,研究晶向、孔洞体积分数、空位体积分数等对孔洞生长的影响.结果表明：对于不同的晶向,决定孔洞生长变形的微观机制不同.[010]晶向单轴拉伸情况下,形变机制主要是｛111｝面位错引起的堆垛层错;[111]晶向单轴拉伸情况下,形变机制主要是位错的移动、堆积与发射.此外,孔洞及空位的体积分数对[010]、[111]晶向的孔洞生长过程也有着明显的影响.总的来说,随着孔洞或者空位体积分数的增加,材料的杨氏模量变小,屈服强度、屈服应变下降.     

基于分子动力学模拟的石墨烯镁基复合材料力学行为

镁合金因其低密度被视为最轻的工程结构金属材料,但因较差的塑性变形行为限制了其广泛应用,因此增强镁合金的综合力学性能已经成为当前材料领域的研究热点.本文采用分子动力学模拟方法,研究了在拉伸载荷下石墨烯对金属镁变形行为和力学性能的影响.研究结果表明,石墨烯的嵌入能够明显提升金属镁的强度和杨氏模量,并对其塑性变形阶段的第二次应变强化产生较大影响.研究指出,石墨烯镁基(GR/Mg)复合材料和纯镁的塑性变形行为相同,在塑性变形过程中均发生了从密排六方到体心立方再到密排六方结构的相变.石墨烯嵌入位置对GR/Mg复合材料上下两部分镁基体的塑性变形行为有较大的影响.当石墨烯嵌入高度较小时,石墨烯下方的镁基体塑性变形能力较强,容易发生位错滑移,而当石墨烯嵌入高度较大时,石墨烯上下方的两部分镁基体的塑性变形能力相当,它们的塑性变形行为趋于同步.此外,本文对镁基体的相变机制也进行了详细分析.本文的研究结果对于设计高性能的石墨烯金属基复合材料具有一定的理论指导意义.     

金属Ni原子对石墨烯生长结构的影响

基于Material Studio软件平台,利用分子动力学方法,对Ni原子与石墨烯层状结构相互作用和晶体结构变化过程进行模拟分析,得到如下结论：低浓度Ni原子会吸附在石墨烯表面层沿边缘生长,活性从中心向边缘逐渐降低,高浓度的Ni原子会溶解到内层石墨烯中.当石墨烯层数增加,附着在表层石墨烯的Ni原子生长排列范围扩大,且在石墨烯表面形成的点阵排列被破坏,附着在内层石墨烯的Ni原子比表层石墨烯Ni原子排列更散乱,同时石墨烯生长结构逐渐出现弯曲;随着层数增多和Ni原子浓度增加,石墨烯的拉伸强度也随之增加,石墨烯生长缺陷的偏转角度也随之增大.通过计算以上结构的径向分布函数(RDF),验证了石墨烯长程有序到短程有序的结构变化过程.     

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。     

氧化石墨烯与淀粉样短肽相互作用的理论研究

利用副本交换分子动力学方法,对比研究了淀粉样短肽Aβ_(16-22)在加入石墨烯以及氧化石墨烯前后的聚集状况.我们发现相比石墨烯,氧化石墨烯能够明显地抑制淀粉样短肽Aβ_(16-22)的聚集.其原因是氧化石墨烯与Aβ_(16-22)片段中氨基酸的疏水相互作用以及氧化石墨烯表面的极性基团与Aβ_(16-22)形成的氢键大大地弱化了Aβ_(16-22)氨基酸链间的相互作用,最终抑制了Aβ_(16-22)的纤维化.我们的研究将为基于碳纳米颗粒治疗淀粉样变性病的药物设计与开发提供新思路.     

碳纳米管增强铝基复合材料电子理论研究

采用自行开发计算机软件，建立了铝晶粒大角度重位点阵晶界模型及碳纳米管与铝金属的界面结构，利用递归法计算了纳米碳管增强铝基复合材料的电子结构参数(铝晶界、铝与纳米管界面及纳米管的结构能，体系费米能级等). 计算结果表明：Σ为5的晶界结构能最低，比较稳定；纳米碳管在铝晶粒的晶界处与铝形成的界面结构能较低，复合材料中纳米碳管主要分布在铝晶粒的晶界处；铝提高纳米碳管的结构能，降低纳米碳管的稳定性，增强碳管的物理化学活性，且管口处的碳原子稳定性较差，易与周围环境中的原子结合生成稳定结构. 关键词： 电子结构 晶界 铝复合材料 纳米管     

硅晶体表面石墨烯褶皱形貌的分子动力学模拟研究

本文利用分子动力学的方法和模拟退火技术从原子尺度分析研究了Si (100), Si (111)和Si (211)表面单原子层石墨烯的褶皱形貌及其演化特点. 研究表明, 分别置于Si晶体的三种不同原子表面的石墨烯都展现出原子尺度的褶皱形貌. 石墨烯与Si晶体表面原子的晶格失配是引起石墨烯褶皱的主要原因. 研究发现, Si晶体表面石墨烯的褶皱形貌强烈的依赖于退火温度. 石墨烯的褶皱形貌还将直接影响其在Si晶体表面的吸附稳定性. 这些研究结果有助于人们认识基于Si晶体衬底的石墨烯的结构形貌及其稳定性, 为石墨烯的进一步应用提供理论参考.     

α-Fe裂纹的分子动力学研究

通过分子动力学方法，模拟了α-Fe裂纹的单轴拉伸实验中的形变过程.研究了不同晶体取向裂纹的形变特点和断裂机理，观察到各种形变现象，如位错形核和发射，位错运动，堆垛层错或孪晶的形成，纳米空洞的形成与连接等.计算结果表明，裂纹扩展是塑性过程和弹性过程相结合的过程，其中塑性过程表现为由裂尖发射的位错导致的原子切变行为，而弹性过程的发生则是由无位错区中的原子断键所导致.同时还研究了α-Fe裂纹的形变特点和断裂机理与温度场和应力场的依赖关系.     

铝基碳化硼材料中子屏蔽性能的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法, 运用MCNP4C程序研究了碳化硼含量20%–40%、中子能量200 eV–15 keV、材料厚度0.3–2 cm对B₄C/Al复合材料中子屏蔽性能的影响. 结果表明: 碳化硼含量与中子透射系数呈一次线性下降关系; 同含量的碳化硼, B₄C/Al材料的中子屏蔽效果要大大优于聚乙烯碳化硼材料; 在等厚度条件下, 模拟试样B20等的中子屏蔽效果要优于水、铜、混凝土等常规屏蔽材料; 材料厚度与中子透射系数呈指数下降关系, 且单位厚度的增加对中子透射系数改变很大; 含硼量对热中子透射系数影响很大; 在热中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变较大; 在慢中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变很小. 关键词： 中子透射系数 蒙特卡罗 铝基复合材料 碳化硼     

导电石墨烯孔道内双电层结构的研究

为有效开发和利用新能源,人们迫切需要高性能的超级电容器提供能量的存储和转换.在超级电容器中双电层结构扮演着关键性的角色.本文利用分子动力学方法通过建立开放的石墨烯纳米孔道(1～2 nm),研究了KCl溶液在纳米孔道内的双电层结构,同时也比较了恒电量模拟(Q)和恒电势模拟法(U)下双电层结构的异同.结果表明在恒电势模拟法考虑了导电石墨烯壁的镜像作用使结果更符合实验中的材料系统.而石墨烯壁的镜像作用能额外吸附离子从而增强孔道内部的阴阳离子,这可能有助于电极电容的提升.通过对不同孔道高度的研究,本文发现水分子作为介电材料在水基超级电容器中发挥着决定性的作用.它能在很大程度上抵消不同离子和不同孔道高度下双电层的变化,从而在不同情况下获得了相似的电容.     

界面尺寸对铜/石墨烯界面热导的影响

采用原子格林函数(AGF)方法研究了界面尺寸对铜/单层石墨烯(SLG)界面热导的影响.建立了有限和无限界面尺寸的AGF计算模型,计算得到的界面热导均在铜的迪拜温度(343 K)附近收敛,但两者计算得到的透射系数和界面热导存在明显差别:有限界面尺寸时计算得到的透射系数在1.5 THz附近达到峰值0.84,而无限界面尺寸时...