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.     

含缺陷双层石墨烯的纳米压痕模拟研究

石墨烯具有独特的力学、电学性能,被誉为是具有战略意义的新材料,具有广泛的应用前景. 目前生产的石墨烯含有各种缺陷,相较于完美石墨烯,其仍有较大应用价值. 因此有必要研究和掌握缺陷对石墨烯性能的影响,以便在目前的生产技术下,推动其工业化应用. 采用Tersoffff 势来模拟C—C 共价键的相互作用,Lernnard-Jones 势来模拟非成键碳原子之间相互作用力,基于分子动力学模拟了金刚石压头压入含缺陷双层石墨烯的纳米压痕过程,讨论了Lernnard-Jones 势函数的截断半径最佳值以及得到了典型的载荷-位移曲线. 重点探讨了Stone-Thrower-Wales、空位(包括单空位和双空位缺陷) 以及圆孔缺陷当位置不同和数目不同时对石墨烯力学性能的影响. 得出结论:薄膜中心存在缺陷时,破坏强度下降幅度特别明显. 空位缺陷在压头半径范围内存在时,临界载荷与缺陷与薄膜中心的距离成线性关系;缺陷数目越多,其杨氏模量、破坏强度等就越低. 圆孔缺陷数目在压头范围外达到一定浓度后会使石墨烯的力学性质显著降低. 本文结论也说明石墨烯结构稳定,对小缺陷不敏感,缺陷石墨烯仍具有较好的性能和使用价值.      

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引人稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题.辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化.论文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用.分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料.     

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.      

温度梯度与缺陷共同作用下的双壁碳纳米管持续驱动器件

纳尺度驱动因其在能量转换、物质输送等众多领域的潜在应用得到广泛关注,但实现长程持续驱动依然在原理上面临重大挑战．本文借助双壁碳纳米管的层间范德华相互作用,以热梯度力为基本动力,利用外管缺陷对层间热梯度力的调控作用,提出了一种新型的纳尺度可控持续驱动原理．其基本机理是：外管在周期性缺陷和温度场共同作用下形成周期性的非对称温度梯度,在内管上产生周期性的非对称热梯度力,使得每个周期（驱动单元）上都存在净驱动力,从而推动内管实现长程持续运动．同时,内管的运动方向或速度可通过外管上的控温区域或温差控制．     

基于分子动力学方法的多层石墨烯超滑失效机理分析

本文作者采用混合势函数(Lennard-Jones势和REBO势),基于Verlet算法动态模拟了金刚石探针(100)与多层石墨烯间的压入和滑动摩擦过程,分析了不同压深下多层石墨烯的摩擦力及平均摩擦系数变化的特点,统计了不同压深下的层间键合作用、层内断键数量以及实际原子接触面积,阐述了多层石墨烯超滑失效的机理.结果表明:压深对多层石墨烯间的超滑失效有着重要影响,探针压深增加导致的摩擦力振幅上升与悬空石墨烯压缩应变增加产生的影响非常相似;6.1(A)是石墨烯超滑失效的临界压入深度值,压深小于6.1(A)时,石墨烯有着明显的超滑特性,且摩擦力变化周期不受压深的影响,并等于石墨烯晶格常数;压深大于6.1(A)后,摩擦力变化完全失去周期性,探针在滑动中需要克服的势垒急剧上升,摩擦力显著增大,超滑明显失效.当压深为6.1(A)时,石墨烯层间开始出现键合作用,层内也出现断键现象,且随压深的增加越加剧烈,层内的断键和层间键的形成是引起石墨烯超滑失效和摩擦力突变的主要原因,而实际原子接触面积与此突变的相关性很小.     

金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展

辐照条件下,高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷,导致材料力学性能严重退化,缩短材料服役寿命,是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度,故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具,近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展,介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷,及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型,深化了学界对辐照效应的认识,有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。     

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.      

多层石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能研究

采用液相超声直接剥离法制备了不同厚度的纳米石墨烯片,用SEM、TEM对其形貌进行了表征,利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了石墨烯水分散体系的摩擦磨损性能.通过SEM、EDS、XPS等手段,分析了磨损表面的形貌、元素组成和典型元素的化学状态,初步探讨了石墨烯水分散体系的润滑机理.结果表明:所制备的石墨烯为厚度不一的多层石墨烯混合物,厚度范围为10~180 nm;石墨烯作为水基添加剂具有良好的减摩抗磨性能,使纯水的磨损机理发生转变,由严重的黏着磨损和腐蚀磨损转变为磨粒磨损,主要原因是在石墨烯水分散体系润滑下,磨损表面形成吸附减摩层和摩擦化学反应膜,两者协同作用,抑制Fe的氧化,减轻摩擦磨损.     

碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了公度、不公度2种情况下碳纳米管在石墨基底上运动的摩擦机制与能量耗散,计算中先使碳纳米管在石墨基底上弛豫平衡,而后施加持续500 fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止.结果表明:在公度条件下,碳纳米管先在石墨基底上滑动,动能降低到一定值后出现翻转、滚动、滑动交替进行的现象.所受侧向力(即摩擦力)在滑动阶段呈现周期性变化,在开始滚动时摩擦力达到负向最大;在不公度条件下,碳纳米管在石墨基底上一直处于滑动状态,侧向力始终为负值;在公度情况下,侧向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子与石墨基底原子间的法向趋近与分离引起,并由此而产生摩擦;碳纳米管与石墨基底原子间的相互作用为斥力-碰撞型,黏性摩擦造成了能量耗散.     

导电滑环Au涂层摩擦磨损行为的分子动力学模拟

金(Au)及其合金由于优异的导电和抗氧化特性被广泛用做星载导电滑环涂覆层,本文中采用分子动力学模拟方法研究了导电滑环Au-Au涂层在不同温度和不同摩擦速度下的摩擦磨损行为,并通过设定模型局部快速升温模拟载流摩擦中电弧侵蚀的效果.结果表明:滑环环体与环刷的磨损主要为黏着磨损,温度升高会加快下压过程的界面力学响应;相对运动速度越低,磨损越严重,同时跑合后的摩擦力越大;影响摩擦磨损特性的主要原因是接触中心在温升区域中心附近时的焊接现象.研究结果为揭示Au-Au涂层的摩擦磨损性能随温度和速度变化的微观机理提供了参考依据,为我国卫星长寿命,高可靠性设计提供理论基础.     

不同温度下Cu/FeS复合材料摩擦过程中组织演变的分子动力学模拟研究

通过计算机模拟的方法对不同温度下Cu//Cu/FeS摩擦副的摩擦性能进行计算研究,结果发现:当环境的温度在500 K时,摩擦副的摩擦系数出现第一个谷值,而此时金属铜发生再结晶,黏着磨损更为明显;700 K时,黏着层数减小而摩擦系数却有所增大,主要是由于复合材料内部的FeS结构发生转变造成.计算结果还证明:在高温情况下,增强相FeS存在先分解再重新结合的2个过程,并指出Cu/FeS复合材料在900 K时,仍然具有很好的减摩耐磨作用.还对不同温度摩擦时复合材料内部的组织演变过程进行系统分析,分析结果表明,随着温度的升高,FeS的结构发生演变,从六方NiAs型超结构相转变为简单NiAs型结构相,并且随着温度的升高,FeS结构的 c/a 也在不断减小,这些都影响着复合材料的摩擦性能.     

Effects of vacancy defect on the tensile behavior of graphene

Graphene is the strongest material but its performance is significantly weakened by vacancy defects. We use molecular dynamics simulations to investigate the tensile behavior of a graphene which contains a single vacancy defect. Our results suggest that because of the single vacancy, the fracture strength of graphene losses about 17.7%. The stress concentration around the vacancy defect leads to the destruction of nearby six-member rings structure, which forms the initial crack. The propagation direction of this crack in defective graphene is at an angle of 60° to the tensile direction initially, but then becomes perpendicular to the tensile direction.     

基于分子动力学的结合材料界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚.采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面破坏过程进行模拟,从而获得结合材料的界面应力和界面破坏之间的关系.界面破坏可以分为奇异应力场作用下的破坏,和界面应力集中引起的破坏两种.虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面破坏过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识.分别模拟远场作用下界面上存在初始裂纹和界面附近存在初始裂纹两种情况下的界面破坏,根据分子动力学模拟结果,提出了一个结合材料界面破坏的准则.     

石墨粒度对Cu—Fe基摩擦材料性能的影响

采用ＭＭ－１０００型摩擦磨损试验机研究了石墨粒度对Ｃｕ－Ｆｅ基摩擦材料性能的影响。研究结果表明：随着石墨粒度的变化,材料的硬度提高而强度降低;材料及偶件的磨损增大;此外,石墨粒度对Ｃｕ－Ｆｅ基摩擦材料的摩擦系数也有所影响。     

孔隙率对纸基摩擦材料的压缩回弹和摩擦磨损性能影响的研究

研究了孔隙率对1种混杂纤维增强纸基摩擦材料压缩回弹性以及摩擦磨损性能的影响.结果表明:在相同载荷下,随着孔隙率增大,材料的压缩率增加而回弹率降低,随着载荷增加,高孔隙率材料的回弹率先明显增大,而后趋于稳定;在相同比压和转速下,孔隙率越高,材料的摩擦系数越大,随着比压增加,孔隙率高的材料摩擦系数逐渐降低,且不同孔隙率材料的摩擦系数逐渐趋于一致;在连续循环制动时,高孔隙率材料的摩擦系数逐渐降低并趋于稳定.这是由于在较高压力下,高孔隙率材料的孔隙会引起塌陷,使其孔隙率降低,从而影响材料的压缩回弹性和摩擦磨损性能.     

分子沉积膜纳米压痕过程的分子动力学模拟

在利用联合原子模型并考虑静电力作用的基础上，采用分子动力学模拟方法研究了金探针作用下分子沉积膜的纳米压痕过程，并对其纳米力学行为进行了理论分析．结果表明，分子沉积膜在探针压下过程中出现了明显的接触跳跃现象，探针下面的膜的分子倾角和法向载荷呈现出相同的滞后趋势，这可能是探针和分子沉积膜之间粘着力作用的结果．