二維材料的缺陷力學(xué)性質(zhì)
本文關(guān)鍵詞：二維材料的缺陷力學(xué)性質(zhì) 出處：《清華大學(xué)》2016年博士論文 論文類型：學(xué)位論文
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【摘要】：2004年二維石墨烯晶體材料的發(fā)現(xiàn),使得二維材料迅速成為了科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的持續(xù)熱點(diǎn)。受益于近年來(lái)實(shí)驗(yàn)制備和表征技術(shù)的快速發(fā)展,新型的二維材料層出不窮,據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)其總數(shù)可以達(dá)到500余種。時(shí)至今日,已初步形成了一個(gè)新興的材料門類。由于二維材料自身獨(dú)特的低維結(jié)構(gòu)特征,它們大多各自具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等物理性能,被認(rèn)為有潛力在能源環(huán)境、電子信息、航空航天、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域引起革命性的突破。本文使用理論分析和計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方式對(duì)以石墨烯中拓?fù)淙毕轂榇淼膯卧訉雍竦亩S材料的缺陷力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,重點(diǎn)考察缺陷在二維材料中引起的拓?fù)湫?yīng)和幾何效應(yīng)。按照本文的行文順序,研究?jī)?nèi)容可組織歸納為以下四個(gè)方面:(1)二維材料缺陷的拓?fù)湫?yīng)。通過(guò)基本缺陷結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場(chǎng)的組合疊加,標(biāo)定了石墨烯中常見缺陷的應(yīng)力場(chǎng)分布。在此基礎(chǔ)上,建立了5|7位錯(cuò)和5|8|5位錯(cuò)偶極子的應(yīng)力堆積模型,在多晶石墨烯的脆性斷裂行為中發(fā)現(xiàn)了贗(逆)Hall-Petch效應(yīng),即拉伸強(qiáng)度反相關(guān)(正相關(guān))于晶粒尺寸,裂紋一般在晶界接合處萌生,可沿晶或穿晶擴(kuò)展;(2)二維材料缺陷的幾何效應(yīng)。幾何效應(yīng)來(lái)源于缺陷產(chǎn)生的內(nèi)建畸變應(yīng)力場(chǎng)誘導(dǎo)二維材料產(chǎn)生的局部幾何結(jié)構(gòu)屈曲。首先分析了石墨烯薄膜承壓下的變形行為和尺度效應(yīng)。以此為基礎(chǔ),指出了在納米壓痕實(shí)驗(yàn)中一直被忽視的幾何效應(yīng)對(duì)二維材料強(qiáng)度和剛度測(cè)量值的影響,為微納尺度下精確表征超薄材料的力學(xué)性能提供了理論指導(dǎo);(3)缺陷在曲面上的力學(xué)性質(zhì)。以碳納米管張開形成石墨烯條帶的過(guò)程為研究對(duì)象,借助于斷裂力學(xué)Griffith理論,從能量的角度出發(fā),考察了缺陷在曲面上誘導(dǎo)斷裂的力學(xué)特性,分析了氧和氫化學(xué)刻蝕缺陷對(duì)不同管徑和手性的碳納米管張開機(jī)制的影響;(4)二維材料的力學(xué)相關(guān)應(yīng)用舉例�；谇笆鰧�(duì)二維材料力學(xué)性能的研究,結(jié)合人類社會(huì)自身的實(shí)際需求,探索了三個(gè)關(guān)于二維材料的未來(lái)應(yīng)用方向。為二維材料未來(lái)的應(yīng)用推廣做出了初步的嘗試。
[Abstract]:The discovery of the two dimensional graphene crystals in 2004 makes two dimensional materials rapidly becoming a hot spot in scientific research and industrial applications. Because of the rapid development of the experimental preparation and characterization technology in recent years, the new type of two-dimensional materials emerge in endlessly. According to the related prediction, the total number can reach more than 500. Today, a new type of material has been formed. Due to the low dimensional structure characteristics of two-dimensional materials unique, most of them have excellent mechanical, thermal, electrical, magnetic and optical properties, is considered to have the potential to cause a revolutionary breakthrough in energy and environment, electronic information, aerospace, biomedical and other fields. Mechanical properties of the defects of theoretical analysis and computer simulation method of combining the two-dimensional graphene materials with topological defects are represented by a single atomic layer thickness were studied, focusing on the topological effect and geometric effect caused by defects in two-dimensional materials in. According to the order of this article, the research content can be organized into four aspects: (1) the topological effect of two-dimensional material defects. The distribution of the stress field of the common defects in graphene is calibrated by the combination of the basic defect structure and the combination of the stress field. On this basis, established the 5|7 5|8|5 dislocation and dislocation dipole stress accumulation model, pseudo found in brittle fracture behavior of polycrystalline graphene in Hall-Petch (inverse) effect, such as tensile strength and anti correlation (positive correlation) on grain size, cracks in the grain boundary junction can be adorable, intergranular or wear crystal growth; (2) the geometric effect of two-dimensional material defects. The geometric effect derives from the built - in distortion stress field induced by the defect, which induces the local geometric buckling of a two-dimensional material. First, the deformation behavior and scale effect of graphene film under pressure are analyzed. Based on this, the influence of geometric effects on the strength and stiffness measurement of two-dimensional materials is pointed out, which provides theoretical guidance for accurately characterizing the mechanical properties of ultra-thin materials at micro and nano scale. (3) the mechanical properties of defects on surfaces. To open the forming process of carbon nanotube graphene strip as the research object, based on the Griffith theory of fracture mechanics, from the view of energy, investigated the mechanical properties of defects on the surface induced fracture, analyses of oxygen and hydrogen chemical etching defect opening mechanism effect on different diameter and chiral carbon nanotubes; (4) for example, mechanical application of two-dimensional materials. Based on the previous research on the mechanical properties of two dimensional materials and the actual needs of human society, three future applications of two dimensional materials are explored. A preliminary attempt was made for the future application and popularization of two dimensional materials.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O341
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，本文編號(hào)：1345076
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