单层石墨烯薄膜材料纳米压痕过程的分子动力学解析

摘要

在原子尺度上分析了单层石墨烯的纳米力学性能和变形损伤机理,得到了纳米压痕仿真的载荷-位移曲线;对不同半径金刚石压头、不同半径石墨烯材料、不同温度以及边界条件等因素对石墨烯纳米力学性能的影响分别进行了讨论,并得到了以下结论:当压头压入深度小于临界深度hc时,石墨烯材料发生纯弹性形变;达到hc时,石墨烯薄膜压头下方原子键断裂并产生撕裂破坏;大于hc时,在压头下方区域的原子相对位置不能完全恢复到压入前的位置,这些原子成为石墨烯材料再次加载时的破坏起点.薄膜材料出现裂口后,集中于压头下方的最大应力迅速减小,应力随之发生了均匀化分布.此外,石墨烯材料半径主要影响压痕过程中的临界深度,而对临界载荷、弹性模量和破坏应力的影响不大.温度升高引发石墨烯薄膜材料的弹性模量和破坏极限均出现了一定程度的下降.