基于分子动力学的单层石墨烯纳米压痕模拟研究

摘要

通过分子动力学方法，本文模拟了石墨烯的纳米压痕过程，并对其模拟结果进行了分析。
　　首先介绍石墨烯这一新型材料的研发现状及纳米压痕技术的发展背景，其次简述分子动力学基本思想及模拟的基本步骤，并对选择势函数及运动方程的求解算法加以陈述。基于以上理论，建立单层石墨烯纳米压痕模型，用Tersoff势函数描述金刚石内部原子与石墨烯内部原子间的相互作用，用Lennerd-Jones势描述压头原子与石墨烯原子之间的范德华力，用Verlet算法求解原子的运动方程。
　　本文研究了石墨烯在纳米压痕过程中的微观变形机制，探究了载荷-位移曲线在不同加载条件下的变化规律，压头受力和系统势能的变化规律，缺陷石墨烯纳米压痕模拟的微观变形机制，并对不同缺陷类型的模拟结果进行对比分析，研究了完美/缺陷石墨烯纳米压痕过程中的温度效应。
　　研究表明，石墨烯临界载荷与压头半径有密切的关系：压头半径越大，临界载荷越大，相应的压入深度也越大；薄膜半径越大，临界压入深度越大，但临界载荷相差不大。在一定的取值范围内，压头的加载速率越大，它的临界载荷越大，相应的压深越小。当加载速度大于0.05 nm/ps时，加载速度对压痕曲线有显著影响，而当加载速度小于该值时，压痕曲线变化较小。对缺陷石墨烯而言，单/双空位缺陷距离薄膜中心越近，相应的临界载荷越小；同时，不同双空位缺陷中石墨烯薄膜的载荷-位移曲线呈现不同的变化规律。单个SW缺陷基本不影响薄膜的力学性能和变形破坏机制。温度对单层石墨烯的载荷-位移曲线有一定的影响。

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1 绪 论

1.1 研究纳米压痕模拟技术的背景和意义

1.2 石墨烯概述

1.3 分子动力学模拟在纳米压痕研究中的发展状况

2 分子动力学模拟技术简介

2.1引言

2.2分子动力学方法及其基本思想

2.3 分子动力学模拟的条件

2.4原子势函数

2.5系统运动方程的建立

2.6分子动力学模拟的有限差分算法

2.7平衡态分子动力学模拟

2.8 分子动力学模拟的基本步骤

2.9 分子动力学模拟常用软件

2.10小结

3 完美石墨烯纳米压痕过程的模拟

3.1引言

3.2本文采用的分子动力学方法

3.3模型的建立及分子动力学模拟过程

3.4纳米压痕过程中的变形破坏机制

3.5纳米压痕过程中的相关性能分析

3.6 石墨烯在不同加载条件下的纳米压痕模拟

3.7 纳米压痕过程中温度分析

3.8本章小结

4 带缺陷的石墨烯纳米压痕模拟

4.1 引言

4.2 缺陷石墨烯纳米压痕过程分析

4.3 缺陷石墨烯纳米压痕研究

4.4 压痕过程势能分析

4.5 压痕模拟中的温度分析

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果