石墨烯／Cu復(fù)合材料力學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬

石墨烯 復(fù)合材料力學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬 一 石墨烯性能相關(guān)介紹 二 分子動力學(xué)模型和方法 三 結(jié)果與討論 石墨烯是一種由sp2共價鍵結(jié)合碳原子組成的二維晶體結(jié)構(gòu) 理論厚度大約0 335nm 因此具有很大的比表面積 石墨烯 力學(xué)性能 電學(xué)性能 熱物理性能 理想的納米填充材料 一 石墨烯性能相關(guān)介紹 二 分子動力學(xué)模型和方法 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?單晶銅 15 347 7 08 7 2nm3 石墨烯 10 22 4 72nm2 石墨烯厚度 0 335nm 勢函數(shù) Cu Cu 嵌入EAM勢 C C Cu C Morse勢 反應(yīng)經(jīng)驗(yàn)鍵序 REBO 勢 三 結(jié)果與討論 1 拉伸應(yīng)力 應(yīng)變響應(yīng) 彈性應(yīng)變大于 以后 彈性段表現(xiàn)出一定的非線性特征 因此通過擬合應(yīng)力 應(yīng)變曲線的初始線性段 應(yīng)變 即可得到材料的初始等效彈性模量 根據(jù)Halpin Tsai模型 采用體積分?jǐn)?shù)為 的石墨烯 w l和t分別為石墨烯的寬 長和厚度 增強(qiáng)彈性模量為 的基體所得單向增強(qiáng)復(fù)合材料的相對彈性模量為 式中 0為復(fù)合材料的彈性模量 常數(shù) 和 分別定義為 和 分別為石墨烯和 基體的彈性模量 分子動力學(xué)模擬得到的復(fù)合材料等效彈性模量在石墨烯體積分?jǐn)?shù)較小時 隨石墨烯的體積分?jǐn)?shù)增加而線性增加 模擬結(jié)果與Halpin Tsai模型的預(yù)測趨勢一致 同時也表明載荷成功地從金屬基體通過界面作用傳遞到了石墨烯上 此外 還可從圖 中觀察到復(fù)合材料的強(qiáng)度和變形能力也隨著石墨烯的加入得到一定程度的提高 石墨烯與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度決定了材料的最終強(qiáng)度 根據(jù)剪滯理論 石墨烯面內(nèi)拉伸方向的應(yīng)力 與界面上的剪應(yīng)力 之間的關(guān)系可以表示為 距離石墨烯表面 處的剪應(yīng)變可以定義為 式中 為位移 為基本的剪切模量 基于對石墨烯和基體材料應(yīng)變假設(shè) 并認(rèn)為石墨烯的厚度與其他方向的尺寸相比為小量 同時 得到石墨烯表面的剪應(yīng)力為 式中 其中 為石墨烯 復(fù)合材料的單元胞體模型在 方向的尺寸 1 提高nL t的值 可以提高石墨烯的應(yīng)力傳遞效率 2 提高石墨烯在拉伸方向的長厚比以及石墨烯的體積含量來提高復(fù)合材料的宏觀等效強(qiáng)度 3 石墨烯在基體材料中的排列方式也對復(fù)合材料的力學(xué)性能具有重要的影響 石墨烯對裂紋擴(kuò)展的抑制 結(jié)論 在單晶銅中加入石墨烯提高了材料的強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變 石墨烯 Cu復(fù)合材料表現(xiàn)出較大的延伸能力 斷裂應(yīng)變遠(yuǎn)大于含裂紋的單晶銅 單晶銅中的預(yù)制裂紋迅速擴(kuò)展 裂紋不斷擴(kuò)大并形成明顯的緊縮現(xiàn)象 最終導(dǎo)致材料斷裂 石墨烯 復(fù)合材料由于在單晶銅的基礎(chǔ)上加入了石墨烯的片層結(jié)構(gòu) 裂紋尖端到達(dá)石墨烯表面并不能形成貫穿 隨著載荷的增加 金屬基體產(chǎn)生了沿石墨烯表面的滑移 隨著載荷的增加裂紋尖端始終不能穿過石墨烯片層結(jié)構(gòu) 在界面上出現(xiàn)密排六方結(jié)構(gòu)的金屬原子 表明復(fù)合材料的部分塑性變形將通過沿石墨烯表面的滑移來實(shí)現(xiàn) 3 結(jié)論 建立了石墨烯 Cu復(fù)合材料的原子模型 預(yù)測了較低石墨烯體積含量情況下復(fù)合材料的彈性模量隨石墨烯的體積分?jǐn)?shù)線性增加 數(shù)值模擬結(jié)果與Halpin Tsai方法預(yù)測結(jié)果一致 此外 石墨烯的加入提高了復(fù)合材料的屈服應(yīng)力 通過比較裂紋在單晶銅和石墨烯 Cu復(fù)合材料中的動態(tài)擴(kuò)展過程 表明石墨烯的加入對于阻止裂紋的擴(kuò)展有顯著的作用 從而提高了復(fù)合材料的變形能力 石墨烯 Cu復(fù)合材料的塑性變形主要表現(xiàn)為沿石墨烯表面的滑