石墨烯沖擊力學(xué)行為的理論研究.pdf

1、眾所周知，由于獨特的結(jié)構(gòu)特征，石墨烯具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等特性，在電子、能源、生物醫(yī)藥、傳感器和復(fù)合材料等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。目前對石墨烯力學(xué)性能的研究主要集中在其彈性性能和固有強度方面，包括楊氏模量、泊松比、斷裂強度等的研究，石墨烯的尺寸、手性及缺陷對以上性能的影響也越來越受到人們的關(guān)注，然而對其在沖擊作用下的研究卻屈指可數(shù)。石墨烯作為世界上已知強度最高的物質(zhì)，其潛在的應(yīng)用非常廣泛，掌握其在沖擊作用下的變形及破壞

2、機制，將為以后的應(yīng)用奠定良好的理論基礎(chǔ)。
　　本文中，我們采用分子動力學(xué)方法對單層及多層石墨烯在沖擊作用下的彈性變形行為和斷裂破壞行為進行了系統(tǒng)的模擬計算研究，揭示了石墨烯在沖擊作用下波狀變形的形成過程和斷裂破壞形成原子空位缺陷的細(xì)節(jié)。全文主要結(jié)果如下:
　　1)發(fā)現(xiàn)了二維平面內(nèi)六邊形碳碳共價鍵拉伸帶的存在。石墨烯在受到?jīng)_擊時，沖擊區(qū)域產(chǎn)生三維空間內(nèi)可傳播的振動波，外圍區(qū)域產(chǎn)生二維空間內(nèi)可傳播的六邊形碳碳共價鍵拉伸帶。振動波

3、形成初期的形狀受沖擊物形狀的影響，在最終演變成圓形振動波的過程中，都經(jīng)歷了多邊形波向圓形波的演變過程。六邊形碳碳共價鍵拉伸帶的存在是由石墨烯自身結(jié)構(gòu)決定的。石墨烯內(nèi)存在相互平行的碳碳共價鍵，受到?jīng)_擊時，平行共價鍵發(fā)生共同拉伸變形，在平行共價鍵的方向上傳播速度快，在其他方向上傳播速度慢，傳播過程中共價鍵拉伸作用相遇形成了六邊形的拉伸帶。
　　2)六邊形碳碳共價鍵拉伸帶的可傳播性，造成了其具有一般波所具有的某些特性。當(dāng)拉伸帶傳播過程中

4、遇到障礙物或傳播到石墨烯邊界時，會發(fā)生反射現(xiàn)象，且反射拉伸帶依然保持六邊形形狀不變。反射拉伸帶與原始拉伸帶相遇，發(fā)生干涉現(xiàn)象，造成干涉位置的碳碳共價鍵拉伸作用加強。我們已證明六邊形碳碳共價鍵拉伸帶傳播過程中不會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。拉伸帶在石墨烯平面內(nèi)快速傳播，其傳播速度及六邊形形狀不受石墨烯結(jié)構(gòu)內(nèi)小尺寸空位缺陷的影響。拉伸帶的六邊形形狀的完整性在平行共價鍵方向上存在較大尺寸空位缺陷時受到影響。
　　3)提出了六邊形的結(jié)構(gòu)片段是石墨烯結(jié)構(gòu)

5、的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)單元。石墨烯在巨大的沖擊作用下，六邊形結(jié)構(gòu)單元外圍的平行碳碳共價鍵傾向于共同發(fā)生斷裂，從而使此結(jié)構(gòu)單元整體脫離石墨烯結(jié)構(gòu)，石墨烯平面內(nèi)留下六邊形的原子空位缺陷。此外，沖擊條件下也可以得到亞穩(wěn)定狀態(tài)的三角形的空位缺陷。通過改變沖擊動能的大小，可以得到不同尺寸的六邊形或三角形空位缺陷。
　　本文的研究結(jié)果極大地豐富了石墨烯高強度、高韌性原理的研究，也證實了石墨烯在力學(xué)方面巨大的應(yīng)用潛質(zhì)。另外既解釋了石墨烯在沖擊條件下的斷裂