一种引入缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法

摘要

本发明一种引入缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法，基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算引入不同种类缺陷的石墨烯与金属团簇之间吸附能、键能、结构的变化，预测它们之间的润湿性。石墨烯引入的缺陷主要为点缺陷、掺杂Ni缺陷、吸附Ni缺陷。分别计算它们与金属Cu

说明书

技术领域

本发明涉及一种引入缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法，具体属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

随着汽车和航空航天领域的发展，尤其是在空间领域，电离辐射等恶劣环境中对金属基复合材料的比强度、比模量、耐蚀性、导电导热等性能要求更高，传统的陶瓷纤维和颗粒增强体已经不能满足对材料的要求。近几年因为石墨烯优异的机械和物理性能被认为是最理想的金属基复合材料增强体。

因为石墨烯本身的C原子很难与金属形成稳定的化学键，导致金属基石墨烯复合材料里添加的石墨烯很难与基体有较好的结合性，而对石墨烯进行改性被认为是有希望解决石墨烯与金属之间润湿性，制备高性能金属基复合材料的有效途径。石墨烯与金属之间润湿性的好坏决定了金属基石墨烯复合材料性能的高低，探寻简单有效的石墨烯改性提高其润湿性一直是研究的热点。目前大多集中在实验制备研究，还没有相关的预测方法。

对石墨烯引入缺陷改性润湿性是提高石墨烯与金属之间润湿性的有效途径。当前针对引入的缺陷对石墨烯润湿性改变的预测或评价还没有特定的方法，本申请就是建立一种快速有效的对引入缺陷改性后石墨烯润湿性的评价和预测方法。引入缺陷后石墨烯与金属的键能、键角及电子密度参数发生变化，导致与金属之间的润湿性改变，因此从微观角度分析改性对石墨烯润湿性的影响最直接，也最准确。

发明内容

为了解决引入的缺陷对石墨烯润湿性改变的预测或评价方法的缺失，本发明的目的在于提供一种引入不同缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法。

本发明一种引入缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算引入缺陷的石墨烯与金属团簇吸附后的吸附能及键能和结构的变化，预测不同缺陷的石墨烯与金属的润湿性，具体内容为：

一、 计算过程

先构建含有不同缺陷类型的石墨烯模型和金属Al₁₃团簇与Cu₁₃团簇模型，分别将无缺陷石墨烯和含有不同缺陷的石墨烯与金属团簇结构组合在一起，然后进行结构优化，获得最稳定的结构，并进行吸附能、键能、结构计算。

所述的缺陷包括空位缺陷，掺杂Ni缺陷，吸附Ni缺陷。

所有计算结果分析要与引入缺陷后石墨烯与金属之间的实际润湿性效果作对比验证，最后确定引入缺陷后对石墨烯与金属之间的润湿性的影响，为高性能金属基石墨烯复合材料的制备和改性提供预测方法，同时确保计算方法的可靠性。

二、模型构建

无缺陷石墨烯结构、引入缺陷的石墨烯结构和金属Al₁₃团簇或者Cu₁₃团簇结构的模型构建方法：

(1)根据石墨烯是碳原子以SP²杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，其平面结构参数为：每个C原子与周围相连的3个C原子之间键长a₁=a₂=a₃=0.42nm，三个键的夹角β₁=β₂=β₃=120°，利用CASTEP计算模块建立具有平面周期性的二维结构，建立7×7的石墨烯超晶胞模型。

(2) 根据实际实验中引入的缺陷类型分别建立点缺陷，掺杂Ni，吸附Ni的二维平面石墨烯缺陷结构，其中点缺陷石墨烯是将无缺陷石墨烯的超晶胞结构里的一个C原子删除后结构优化得到的结构；掺杂Ni缺陷是将无缺陷石墨烯的超晶胞结构里的一个C原子用Ni原子取代后结构优化得到的结构；吸附Ni缺陷是将无缺陷石墨烯的超晶胞结构吸附一个Ni原子后结构优化得到的结构。

(3) 金属Al₁₃团簇和Cu₁₃团簇结构分别是以13个Al原子或者13个Cu原子为单元进行结构优化后得到的稳定结构，Cu-Cu、Al-Al之间的键长分别为0.25nm和0.27nm。

所述的计算过程采用的晶格常数为一致认可的实验值，电子与电子之间的作用力均采用GGA(Generalized gradient approximations)泛函数进行校正，平面波展开的截断能取400eV，布里渊区网格化密度取3×3×1，自洽场中收敛标准(SCF) 1.0×10^-6>-6eV/atom，原子位移变化小于5.0×10^-5nm。

计算过程包括在稳定结构下体系的石墨烯与金属团簇之间的键能，稳定结构和态密度，为得到比较稳定的精确结果，首先对无缺陷、引入缺陷的石墨烯结构、Al₁₃团簇和Cu₁₃团簇进行几何结构优化，得到准确的参数后，再分别对石墨烯与金属团簇结合体系进行结构优化。

所述的引入缺陷的石墨烯与金属团簇吸附后的吸附能及键能和结构的变化包括：引入缺陷前后石墨烯与金属团簇成键位置的变化、键能的变化、元素价态的变化及体系态密度的变化，最后确定引入缺陷前后石墨烯与金属团簇微观结构和性质的变化，明确微观结构性能的变化对润湿性的影响，为高性能金属基石墨烯复合材料的制备和改性提供预测方法。

本发明的有益效果：基于对引入的缺陷对石墨烯润湿性改变的预测或评价方法的缺失，本方法能从理论上快速准确的确定不同缺陷对石墨烯润湿性提升的程度，进而指导实际石墨烯缺陷改性，减少改性的盲目性，节约时间及成本。

附图说明

图1：本发明缺陷石墨烯与金属之间润湿性的预测流程图；

图2：本发明无缺陷石墨烯模型；

图3：本发明点缺陷石墨烯模型；

图4：本发明掺杂Ni原子石墨烯模型；

图5：本发明吸附Ni原子石墨烯模型；

图6：本发明无缺陷石墨烯、空位缺陷石墨烯、掺杂Ni缺陷石墨烯、吸附Ni缺陷石墨烯分别与Al₁₃团簇结合后的结构；

图7：本发明无缺陷石墨烯、空位缺陷石墨烯、掺杂Ni缺陷石墨烯、吸附Ni缺陷石墨烯分别与Cu₁₃团簇结合后的结构；

图8：本发明无缺陷石墨烯、空位缺陷石墨烯、掺杂Ni缺陷石墨烯、吸附Ni缺陷石墨烯分别与Al₁₃团簇Cu₁₃团簇结合后键能的变化统计。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明中模拟计算缺陷石墨烯与金属团簇之间润湿性的预测过程如图1所示：

首先，根据理论实验分析确定能够引入的缺陷类型，然后分别建立含缺陷的石墨烯模型和金属团簇模型，接着对上述模型分别进行结构优化，其次分别将缺陷石墨烯与金属团簇组合后再次进行结构优化，最后确定键能结构变化规律，明确键能变化对润湿性的影响，为不同缺陷的石墨烯与金属之间的润湿性高低进行有效预测分析。

实施例1

首先，根据实验中能够引入的缺陷类型确定石墨烯模型需要建立的缺陷类型，根据相关参数对无缺陷石墨烯、空位缺陷石墨烯、掺杂Ni原子缺陷石墨烯、吸附Ni原子石墨烯及Al₁₃团簇结构进行模型构建；然后，分别对上述5种结构进行结构优化，获得最稳定结构；其次再将上述4种石墨烯模型与Al₁₃团簇组合并进行结构优化获得4组数据，并计算优化后石墨烯与金属团簇之间的键能，结构参数；最后确定键能变化规律，明确键能变化对润湿性的影响，为引入不同缺陷的石墨烯与金属之间的润湿性高低进行有效预测分析。

确定无缺陷石墨烯、空位缺陷石墨烯、掺杂Ni原子缺陷石墨烯、吸附Ni原子缺陷石墨烯4种结构模型，如图2、3、4、5所示，建立Al₁₃团簇模型并进行结构优化。

将4种缺陷石墨烯与金属Al₁₃团簇组合并进行结构优化后得到吸附构型，如图6所示。

计算上述构型下4组数据的键能，如图8所示。

图8列出了引入不同的缺陷计算得到的键能的变化，在图8中可以看出，缺陷的引入能够提高石墨烯与金属之间的键能，当缺陷为掺杂Ni原子时，键能提高的最明显，此时石墨烯与金属之间的润湿性最好。

实施例2

首先，根据实验中能够引入的缺陷类型确定石墨烯模型需要建立的缺陷类型，根据相关参数对无缺陷石墨烯、空位缺陷石墨烯、掺杂Ni原子缺陷石墨烯、吸附Ni原子石墨烯及Cu₁₃团簇结构进行模型构建；然后，分别对上述5种结构进行结构优化，获得最稳定结构；其次再将上述4种石墨烯模型分别与Cu₁₃团簇组合并进行结构优化获得4组数据，并计算优化后石墨烯与金属团簇之间的键能，结构参数；最后确定键能变化规律，明确键能变化对润湿性的影响，为引入不同缺陷的石墨烯与金属之间的润湿性高低进行有效预测分析。

确定无缺陷石墨烯、空位缺陷石墨烯、掺杂Ni原子缺陷石墨烯、吸附Ni原子缺陷石墨烯4种结构模型，如图2、3、4、5所示，建立Cu₁₃团簇模型并进行结构优化。

将4种缺陷石墨烯与金属Cu₁₃团簇组合并进行结构优化后得到吸附构型，如图7所示。

计算上述构型下4组数据的键能，如图8所示。

图8列出了引入缺陷的不同计算得到的键能的变化，在图8中可以看出，缺陷的引入能够提高石墨烯与金属之间的键能，当缺陷为掺杂Ni原子时，键能提高的最明显，此时石墨烯与金属之间的润湿性最好。