石墨烯彈性參量及其力學(xué)行為研究.pdf

1、作為一種新型納米材料,石墨烯具有極其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能,被譽為具有戰(zhàn)略意義的新材料,其應(yīng)用幾乎涵蓋了從原子尺度到宇宙空間的各個方面,如納米電子學(xué)、航空航天、化學(xué)、機械、光學(xué)、儲能、生物醫(yī)藥、傳感器、復(fù)合材料、場發(fā)射材料等領(lǐng)域。
　　本文利用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對石墨烯的彈性參量和力學(xué)行為進行了研究?；诜肿咏Y(jié)構(gòu)力學(xué)理論,提出了計算石墨烯等效彈性參量的修正分子結(jié)構(gòu)力學(xué)模型;基于非局部連續(xù)介質(zhì)理論,研究了石墨烯屈

2、曲和自由振動的非局部效應(yīng);基于分子動力學(xué)理論,研究了碳原子輻照下石墨烯損傷后的力學(xué)性能;主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)分子結(jié)構(gòu)力學(xué)理論是一種重要的石墨烯等效彈性參量計算方法,原有模型將石墨烯碳碳共價鍵(C-C)的節(jié)點視為純剛性,無法準確模擬原子鍵間的相互作用,影響彈性參量的計算精度。為此,本文提出一種半剛性節(jié)點模型對原有分子結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進行修正,即將C-C鍵等效的框架梁分為主梁和短梁,通過調(diào)整主梁和短梁的線剛度比,來模擬C-C鍵節(jié)

3、點的柔性大小。通過與實驗數(shù)據(jù)進行對比,確定了線剛度比的取值以及主梁和短梁的彈性參數(shù)。將修正后模型的計算結(jié)果分別與原模型以及分子動力學(xué)方法所得結(jié)果進行比較,結(jié)果表明,修正后模型的計算結(jié)果具有較好的精度。
　　(2)非局部連續(xù)介質(zhì)理論能充分考慮尺度效應(yīng)及材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響,是一種解決宏微觀關(guān)聯(lián)問題的新途徑,但正是由于引入了微觀尺度信息,非局部彈性理論的物理方程中含有體積積分,使得在數(shù)學(xué)上難以求解。本文將有限元—微分求

4、積方法(FE-DQ)引入到石墨烯等效納米板屈曲和自由振動控制微分方程的求解中,提出了計算非局部連續(xù)介質(zhì)理論下石墨烯等效納米板屈曲荷載和自由振動頻率的計算方法,通過比較,驗證了該方法的可行性。
　　基于所得結(jié)果,研究了尺寸、非局部參數(shù)、雙向壓力比等因素對屈曲荷載非局部效應(yīng)的影響。結(jié)果表明,屈曲荷載的非局部效應(yīng)隨尺寸的增大而減小,隨非局部參數(shù)的增大而增大,而雙向壓力比對屈曲荷載的非局部效應(yīng)沒有明顯影響。此外,研究了尺寸、非局部參數(shù)、振

5、動模態(tài)等對自由振動頻率非局部效應(yīng)的影響。結(jié)果表明,自由振動頻率的非局部效應(yīng)隨尺寸的增大而減小;隨非局部參數(shù)、振動模態(tài)階數(shù)的增大而增大。
　　(3)原子輻照是對石墨烯進行裁剪、改性的重要手段,但原子輻照中易對石墨烯形成損傷,對其性能造成影響。為此,本文通過分子動力學(xué)方法,建立了碳原子輻照石墨烯的數(shù)值模型,研究了不同輻照條件對石墨烯缺陷分布規(guī)律的影響。結(jié)果表明,輻照能量對缺陷的影響最為明顯;輻照劑量、輻照角度對輻照缺陷具有較大影響;而

6、輻照高度對輻照損傷的影響不明顯。
　　利用分子動力學(xué)方法,進一步建立了輻照損傷后石墨烯的拉伸數(shù)值模型,明確了輻照損傷后石墨烯拉伸破壞的變形機制。結(jié)果表明,與未輻照損傷石墨烯不同,原子輻照損傷后的石墨烯斷裂是從空位缺陷密度最大處開始,并沿著空位缺陷密度大的斷裂帶擴展。另一方面,本文還分析了輻照損傷后石墨烯拉伸力學(xué)性能的應(yīng)變率和溫度相關(guān)性機理。結(jié)果表明,與未輻照損傷的石墨烯相比,輻照損傷后石墨烯的拉伸力學(xué)性能對溫度有很強的相關(guān)性,而對