单层石墨烯辐照损伤后的拉伸特性研究

摘要

石墨烯具有超高的强度、刚度以及特异的电学性质,被认为是具有战略意义的新材料,拥有非常广阔的应用前景。然而,制备出的石墨烯需经过进一步的加工才能达到工程应用要求。粒子辐照技术可以对石墨烯进行改性与裁剪,根据工程需要改变其物理、化学性能。辐照过程中使石墨烯产生随机的缺陷损伤,从而影响石墨烯的力学性能,对辐照损伤后石墨烯力学性能的研究是工程应用和性能开发的前提和基础。因此,开展石墨烯辐照损伤后力学行为的研究具有重要意义。
　　本文选取单层石墨烯为研究对象,基于分子动力学理论,通过数值模拟研究了硅粒子辐照下单层石墨烯损伤后的拉伸力学性能。具体分为以下三部分:
　　利用分子动力学方法,建立硅粒子辐照模型,实现了粒子辐照过程,并且研究分析了入射硅粒子的剂量、能量及入射角度对石墨烯辐照过程中形成缺陷数量的影响。经过缺陷统计分析,缺陷数量与入射剂量基本呈正比关系,而只是在一定的范围内缺陷数量随入射能量和入射角度的增加而增加。另外研究发现粒子吸附多发生在缺陷位置。
　　文章分析了辐照损伤后石墨烯在拉伸断裂过程中的拉伸破坏的变形机制。结果表明,原子辐照损伤后的石墨烯断裂起裂点从不完全成键处开始,并向缺陷密度大的方向扩展,而不像完美石墨烯都从边缘开始断裂并沿着45°方向延伸。选取辐照损伤后的石墨烯结构进行拉伸模拟,研究不同工况、温度及应变率对石墨烯拉伸力学性能的影响。研究结果表明,拉伸性能的优劣与缺陷的数目有着直接的关系,入射剂量、能量和角度与缺陷数目之间的关系,间接反应了拉伸强度和拉伸极限应变与三种工况之间的关系。损伤后的石墨烯的拉伸力学性能对温度有较强的依赖性,而对应变率不敏感。

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1 绪论

1.1研究的背景和意义

1.2石墨烯及其应用前景

1.3完美石墨烯力学性能研究现状

1.4 含有缺陷的石墨烯力学性能研究现状

1.5 辐照在碳纳米结构材料领域中的应用

1.6 石墨烯辐照损伤研究现状

1.7 本文主要研究内容

2 分子动力学模拟方法简介

2.1 引言

2.2 分子动力学方法

2.3 石墨烯中常用的势函数

2.4 分子动力学模拟常用软件

2.5 小结

3 硅粒子辐照损伤过程及缺陷分析

3.1 引言

3.2 辐照损伤机理[23]

3.3 粒子辐照过程

3.4 辐照过程中形成的缺陷类型以及现象

3.5 不同辐照条件下石墨烯损伤缺陷分析

3.6 小结

4 辐照损伤后拉伸性能研究

4.1 引言

4.2 拉伸模拟过程

4.3辐照损伤后石墨烯拉伸力学性能研究

4.4应变率相关性研究

4.5温度相关性研究

4.6小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果

参考文献