本文關(guān)鍵詞：基于分子動力學的多晶石墨烯力學性能研究

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【摘要】：石墨烯具有超高的強度、剛度以及優(yōu)異的電學性質(zhì),是目前公認的具有戰(zhàn)略意義的新材料,擁有極其廣闊的應用前景。然而,現(xiàn)有技術(shù)條件下,工業(yè)化制備出的石墨烯都不可避免的會含有晶界和缺陷,這大大限制了石墨烯的工業(yè)化制備與量產(chǎn)應用,而這類含有晶界和缺陷的石墨烯我們稱為多晶石墨烯。晶界和缺陷的存在雖然會降低石墨烯的力學性能,但是卻能夠提高石墨烯某些其他的性質(zhì)。同時相較于完美石墨烯嚴苛的制備工藝和過低的性價比,含有晶界和缺陷的多晶石墨烯具有更大的應用潛質(zhì)與可行性。如果能夠通過研究多晶石墨烯中缺陷和晶界對石墨烯性能的影響并將其利用,就能以目前的技術(shù)開展石墨烯工業(yè)化制備與量產(chǎn)應用,這將會對石墨烯工業(yè)化應用產(chǎn)生巨大的推動作用。因此對多晶石墨烯的力學性能研究具有重要意義。本文選取單層的完美和多晶石墨烯為研究對象,基于分子動力學理論,通過數(shù)值模擬研究了多晶石墨烯的拉伸斷裂過程和力學性能。利用分子動力學方法,建立完美石墨烯拉伸模型,實現(xiàn)了完美石墨烯準靜態(tài)加載拉伸過程。基于完美石墨烯拉伸模型的基礎(chǔ)上,用含晶界和缺陷的多晶石墨烯模型重復完美石墨烯模型拉伸過程。探討了晶界和缺陷對石墨烯破壞強度的影響,計算了石墨烯材料的表面自由能與斷裂韌性,模擬了多種情況下含有圓孔缺陷和裂紋缺陷的多晶石墨烯拉伸斷裂。并有如下結(jié)論:石墨烯中晶粒和晶界數(shù)量越多,石墨烯力學性能越弱。隨著多晶石墨烯中含有的缺陷尺寸越大,石墨烯力學性能就越差,同樣大小的圓孔缺陷和裂紋缺陷,裂紋缺陷對石墨烯力學性能的影響更大。而且缺陷在多晶石墨烯中位置的不同,對石墨烯力學性能的影響也會不同,缺陷范圍內(nèi)的晶界越多,石墨烯的力學性能就越差。
【關(guān)鍵詞】：多晶石墨烯 力學性能 圓孔缺陷 裂紋缺陷 分子動力學
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O613.71
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 緒論8-14
• 1.1 研究背景和意義8-9
• 1.2 石墨烯及其應用前景9-10
• 1.3 完美石墨烯力學性能研究現(xiàn)狀10-11
• 1.4 多晶石墨烯研究現(xiàn)狀11-12
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容12-14
• 2 分子動力學模擬方法簡介14-22
• 2.1 概述14
• 2.2 分子動力學發(fā)展歷程14-15
• 2.3 基本原理15-16
• 2.4 基本步驟16-17
• 2.5 分子動力學模擬中基本概念17-19
• 2.5.1 初始條件17
• 2.5.2 邊界條件17-18
• 2.5.3 勢函數(shù)18-19
• 2.5.4 系綜19
• 2.6 AIREBO勢函數(shù)19-20
• 2.7 小結(jié)20-22
• 3 多晶石墨烯拉伸力學性能22-36
• 3.1 引言22
• 3.2 完美石墨烯拉伸模擬22-24
• 3.2.1 勢函數(shù)和截斷半徑的選擇23-24
• 3.3 結(jié)果分析24-27
• 3.3.1 弛豫分析24-26
• 3.3.2 拉伸結(jié)果26-27
• 3.4 多晶石墨烯拉伸模擬27-28
• 3.5 結(jié)果分析28-30
• 3.5.1 弛豫分析28-30
• 3.5.2 拉伸結(jié)果30
• 3.6 完美和多晶石墨烯拉伸結(jié)果比較30-34
• 3.7 本章小結(jié)34-36
• 4 圓孔和裂紋缺陷對多晶石墨烯力學性能的影響36-60
• 4.1 引言36
• 4.2 圓孔缺陷對多晶石墨烯力學性能的影響36-45
• 4.2.1 拉伸模擬36-37
• 4.2.2 結(jié)果分析37-43
• 4.2.3 圓孔缺陷位置對石墨烯力學性能的影響43-44
• 4.2.4 圓孔缺陷大小對石墨烯力學性能的影響44-45
• 4.3 裂紋缺陷對多晶石墨烯力學性能的影響45-58
• 4.3.1 拉伸模擬45-46
• 4.3.2 結(jié)果分析46-49
• 4.3.3 石墨烯表面自由能和能量釋放率49-50
• 4.3.4 石墨烯臨界應力強度因子50-51
• 4.3.5 裂紋大小對多晶石墨烯力學性能的影響51-52
• 4.3.6 裂紋位置對多晶石墨烯力學性能的影響52-58
• 4.4 本章小結(jié)58-60
• 5 結(jié)論與展望60-62
• 5.1 結(jié)論60-61
• 5.2 展望61-62
• 致謝62-64
• 參考文獻64-70
• 攻讀碩士學位期間的科研成果70

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本文編號：1093490