發(fā)布時間：2017-09-12 17:34

  本文關鍵詞：石墨烯增強鎂基復合材料界面性能第一性原理研究

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【摘要】：鎂基復合材料擁有優(yōu)異的力學和物理性能,但其彈性模量普遍偏低從而極大地限制了其在結構材料領域的廣泛應用。石墨烯具有高彈性模量(約1TPa)與斷裂強度(約125GPa),將石墨烯作為鎂基復合材料的增強相,能有效地提高鎂金屬及鎂合金的強度、彈性模量等性能。利用第一性原理計算方法,系統(tǒng)地對石墨烯增強鎂基復合材料界面性能進行研究。主要考察石墨烯增強鎂基復合材料界面原子構型、界面能和界面電荷分布,分析其界面穩(wěn)定性、界面電子結構和成鍵特征。主要研究成果如下:(1)采用超晶胞建模方法,建立鎂原子與石墨烯表面的吸附模型。選取具有代表性的吸附模型進行吸附能研究,結果表明空位缺陷或摻雜原子對石墨烯與鎂原子吸附作用的增強程度大小為:空位缺陷BSiNS。(2)對鎂原子與石墨烯吸附模型進行電子電荷分布計算。計算結果表明鎂原子和本征石墨烯吸附作用力為范德瓦耳斯力,屬于物理吸附;而與空位缺陷石墨烯屬于化學吸附,鎂原子與碳原子形成了很強的雜化共價鍵。鎂原子在空位缺陷石墨烯或摻雜石墨烯表面吸附成鍵的差分電荷密度較高,成鍵電荷主要由鎂原子軌道上轉移。(3)建立石墨烯微片與鎂晶面吸附界面模型。分別優(yōu)化計算界面能、界面電子結構,結果表明石墨烯微片中的碳原子和鎂晶面上最近的鎂原子的結合強度很高,具有很強的共價鍵作用,屬于化學吸附,石墨烯可以與鎂金屬擁有較強的界面強度,石墨烯可以作為鎂及鎂合金優(yōu)秀的增強相。(4)石墨烯在金屬鎂表面吸附成鍵的差分電荷密度較高,碳原子與鎂原子之間形成很強的雜化從而形成很強的共價相互作用,成鍵電荷由碳和鎂原子軌道共同提供,主要集中在結合面處碳原子和第一近鄰鎂原子上。
【關鍵詞】：密度泛函理論 石墨烯 鎂基復合材料 界面
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB333
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-21
• 1.1 引言10-11
• 1.2 石墨烯規(guī)�；苽浞椒ㄅc工藝研究進展11-16
• 1.3 石墨烯增強金屬基復合材料研究進展16-18
• 1.3.1 實驗制備研究16
• 1.3.2 模擬計算研究16-18
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容18-19
• 1.5 研究目的與意義19-21
• 2 第一性原理與軟件介紹21-27
• 2.1 第一性原理介紹21
• 2.2 密度泛函理論21-26
• 2.2.1 Born-Oppenheimer近似和單電子近似21-23
• 2.2.2 Hartree-Fock近似23
• 2.2.3 密度泛函理論(DFT)23-24
• 2.2.4 局域密度近似(LDA)24-26
• 2.2.5 廣義梯度近似(GGA)26
• 2.3 分子軌道理論26
• 2.4 本章小結26-27
• 3 鎂原子在石墨烯表面吸附的結構和性質(zhì)研究27-40
• 3.1 引言27
• 3.2 吸附模型與計算參數(shù)27-30
• 3.2.1 吸附模型的建立27-28
• 3.2.2 計算參數(shù)的選定28-30
• 3.3 結果分析30-39
• 3.3.1 本征石墨烯和空位缺陷石墨烯結構分析30-31
• 3.3.2 鎂原子在石墨烯表面吸附的結構和吸附能計算31-35
• 3.3.3 總電荷密度和差分電荷密度分布的分析35-39
• 3.4 本章小結39-40
• 4 鎂原子在摻雜石墨烯表面吸附的結構和性質(zhì)研究40-49
• 4.1 引言40
• 4.2 吸附模型與計算參數(shù)40-41
• 4.2.1 吸附模型的建立40-41
• 4.2.2 計算參數(shù)的選定41
• 4.3 結果分析41-47
• 4.3.1 摻雜石墨烯結構分析41-42
• 4.3.2 鎂原子在摻雜石墨烯表面吸附模型結構分析42-44
• 4.3.3 鎂原子在摻雜石墨烯表面吸附模型吸附能分析44-46
• 4.3.4 總電荷密度和差分電荷密度分布的分析46-47
• 4.4 本章小結47-49
• 5 石墨烯增強鎂基復合材料界面分析49-58
• 5.1 引言49
• 5.2 模型與計算方法49-51
• 5.2.1 建模思路及計算方法49-50
• 5.2.2 參數(shù)選定和體相計算50-51
• 5.3 結果分析51-56
• 5.3.1 石墨烯增強鎂界面結構優(yōu)化和吸附能分析51-54
• 5.3.2 總電荷密度和差分電荷密度分布的分析54-56
• 5.4 本章小結56-58
• 6 結論與展望58-60
• 6.1 結論58-59
• 6.2 展望59-60
• 參考文獻60-67
• 攻讀碩士學位期間取得的學術成果67-68
• 致謝68-69

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