石墨烯／Cu复合材料力学性能的分子动力学模拟

,Xian Jiaotong University,Xian Jiaotong University,Xian Jiaotong University,石墨烯复合材料力学性能的分子动力学模拟,一、石墨烯性能相关介绍,二、分子动力学模型和方法,三、结果与讨论,石墨烯是一种由,sp,2,共价键结合碳原子组成的二维晶体结构，理论厚度大约,0.335nm,，因此具有很大的比表面积。,石墨烯,力学性能,电学性能,热物理性能,理想的纳米填充材料,一、石墨烯性能相关介绍,二、分子动力学模型和方法,1.,实验模型,单晶铜,:15.347,*,7.08,*,7.2nm,3,石墨烯：,10.22,*,4.72nm,2,石墨烯厚度,:0.335nm,势函数,Cu-Cu,：嵌入,EAM,势,C C,：,Cu C:Morse,势,反应经验键序（,REBO,）势,三、结果与讨论,1.,拉伸应力应变响应,弹性应变大于以后，弹性段表现出一定的非线性特征，因此通过拟合应力应变曲线的初始线性段（应变）即可得到材料的初始等效弹性模量。,根据,Halpin-Tsai,模型，采用体积分数为的石墨烯（,w、l和t,分别为石墨烯的宽、长和厚度）增强弹性模量为,的基体所得单向增强复合材料的相对弹性模量为,:,式中：,0,为复合材料的弹性模量,常数,和,分别定义为,:,和,分别为石墨烯和基体的弹性模量,。,分子动力学模拟得到的复合材料等效弹性模量在石墨烯体积分数较小时，随石墨烯的体积分数增加而线性增加，模拟结果与,Halpin-Tsai,模型的预测趋势一致,.,同时也表明载荷成功地从金属基体通过界面作用传递到了石墨烯上。此外，还可从图中观察到复合材料的强度和变形能力也随着石墨烯的加入得到一定程度的提高。,石墨烯与基体之间的结合强度决定了材料的最终强度。根据剪滞理论，石墨烯面内拉伸方向的应力,与界面上的剪应力,之间的关系可以表示为,:,距离石墨烯表面处的剪应变可以定义为,:,式中：为位移,;,为基本的剪切模量,基于对石墨烯和基体材料应变假设,:,并认为石墨烯的厚度与其他方向的尺寸相比为小量,同时，得到石墨烯表面的剪应力为,式中：,其中，为石墨烯复合材料的单元胞体模型在方向的尺寸,1.,提高,nL/t,的值，可以提高石墨烯的应力传递效率。,2.,提高石墨烯在拉伸方向的长厚比以及石墨烯的体积含量来提高复合材料的宏观等效强度。,3.,石墨烯在基体材料中的排列方式也对复合材料的力学性能具有重要的影响。,.,石墨烯对裂纹扩展的抑制,结论,在单晶铜中加入石墨烯提高了材料的强度和断裂应变。石墨烯,/Cu,复合材料表现出较大的延伸能力，断裂应变远大于含裂纹的单晶铜,.,单晶铜中的预制裂纹迅速扩展，裂纹不断扩大并形成明显的紧缩现象，最终导致材料断裂。石墨烯复合材料由于在单晶铜的基础上加入了石墨烯的片层结构，裂纹尖端到达石墨烯表面并不能形成贯穿，随着载荷的增加，金属基体产生了沿石墨烯表面的滑移,.,随着载荷的增加裂纹尖端始终不能穿过石墨烯片层结构，在界面上出现密排六方结构的金属原子，表明复合材料的部分塑性变形将通过沿石墨烯表面的滑移来实现。,3.,结论,（）建立了石墨烯,/Cu,复合材料的原子模型，预测了较低石墨烯体积含量情况下复合材料的弹性模量随石墨烯的体积分数线性增加，数值模拟结果与,Halpin-Tsai,方法预测结果一致。此外，石墨烯的加入提高了复合材料的屈服应力。,（）通过比较裂纹在单晶铜和石墨烯,/Cu,复合材料中的动态扩展过程，表明石墨烯的加入对于阻止裂纹的扩展有显著的作用，从而提高了复合材料的变形能力。,（）石墨烯,/Cu,复合材料的塑性变形主要表现为沿石墨烯表面的滑移，表明石墨烯与金属,Cu,的界面力学性能对于复合材料的整体性能有重要的影响，可望通过控制界面力学性能从而形成对复合材料整体力学性能的设计。,谢谢老师,