石墨烯和石墨炔纳米压痕力学性质的分子动力学研究

摘要

Sp2杂化形成的二维石墨烯是具有六角晶格结构的单原子层纳米材料，它有望成为突破基于硅纳米材料技术瓶颈的一种替代材料。石墨烯具有出色的光、电、磁和力学等方面的性质，在量子点、绝缘介质纳米隘口、自旋电子管、发光电化学电池、太阳能电池、半导体材料和纳米复合材料等领域有着广泛的应用前景。本文采用经典分子动力学理论方法，对石墨烯等二维纳米材料的纳米压痕力学性能展开了系统的研究，内容如下：
　　(1)我们基于分子动力学方法研究了多层石墨烯的纳米压痕，采用分段拟合方法分别对大扰度和小扰度范围进行拟合分析杨氏模量。研究表明，石墨烯的杨氏模量对不同的应变范围具有不同的反应，取不同应变范围计算得到的值大小不一，小扰度范围得到的杨氏模量远大于大扰度范围。
　　（2）我们模拟了多种不同尺寸圆膜和压头半径模型，研究了预应力对多层石墨烯的杨氏模量测量的影响。研究表明1-5层石墨烯杨氏模量约为1.00 TPa。当石墨烯厚度大于五个原子层，石墨烯的杨氏模量随着层数增大，这时它的杨氏模量与层数有一定关系。这种变化与石墨烯对应层数的预应力的变化自相一致。
　　(3)我们分析了模拟温度和堆垛方式对石墨烯的杨氏模量测量的影响。在300 K至1000 K温度范围，石墨烯的杨氏模量与温度呈线性变化，杨氏模量随温度的升高而变大。这种现象是石墨烯强烈的非谐振性引起的。不同堆垛结构的多层石墨烯室温下测得的杨氏模量基本一致，堆垛方式对测量影响较小。
　　(4)我们研究了单层缺陷石墨烯纳米压痕，分析了点、空位和 Stone-Wales三种缺陷单层石墨烯的杨氏模量。研究了单层缺陷石墨烯的杨氏模和缺陷影响力学性能的机制，单层缺陷石墨烯的力学强度与缺陷的尺寸以及缺陷处的晶界角度有关。
　　(5)我们开创性的利用分子动力学方法研究了新型二维纳米材料石墨炔的纳米压痕。结果表明石墨炔的力学强度约为石墨烯的1/2，石墨炔比石墨烯柔软，石墨炔对温度的反应更迟钝，阻抗更弱。

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第1章 绪论

1.1 石墨烯

1.2 石墨炔

1.3 石墨烯和石墨炔的力学性质

1.4 问题的提出

1.5研究内容

第2章 理论计算方法

2.1 分子动力学基本原理

2.2 势函数

2.3非线性弹性力学理论

第3章 多层石墨烯薄膜杨氏模量的研究

3.1 引言

3.2 计算模型及理论分析

3.3 结果与讨论

3.4 结论

第4章 含缺陷石墨烯的力学性质的分子动力学研究

4.1 引言

4.2 模型和方法

4.3 结果和讨论

4.4 小结

第5章 单层石墨炔纳米压痕的分子动力学研究

5.1 引言

5.2 理论模型和计算方法

5.3 结果与讨论

5.4 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文和参与的科研项目