石墨烯離面力學(xué)特性及其復(fù)合材料設(shè)計(jì).pdf

1、石墨烯是一種具有六角形蜂巢晶格的二維晶體，由碳原子以sp2雜化軌道形成。由于在強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、電子輸運(yùn)和光學(xué)等方面顯示出不同尋常的特性，石墨烯迅速成為材料科學(xué)、物理、化學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)。石墨烯的變形通常會引起電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)特性的改變，研究石墨烯的力學(xué)特性對其在納米材料、納米器件和納機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的意義?？梢栽谠映叨壬蠈κ┻M(jìn)行材料設(shè)計(jì)，比如引入缺陷和摻雜官能團(tuán)可以調(diào)控石墨烯的力學(xué)和其它物理特性。為克服石墨烯二維結(jié)構(gòu)

2、在工程應(yīng)用中的局限性，三維化石墨烯復(fù)合材料研究受到了廣泛關(guān)注。研究復(fù)合材料中石墨烯的力學(xué)行為，以及石墨烯力學(xué)行為對復(fù)合材料性能的影響，對于設(shè)計(jì)石墨烯復(fù)合材料有著重要的指導(dǎo)意義。
　　石墨烯的力學(xué)行為可以分為面內(nèi)和離面二類。在石墨烯復(fù)合材料中，石墨烯通常是以界面的形式存在，其離面力學(xué)行為對復(fù)合材料的綜合性能有著重要的影響。本文圍繞石墨烯的離面力學(xué)特性及其對石墨烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，展開了系統(tǒng)的研究。
　　本文研究了單層石墨

3、烯的靜態(tài)和動態(tài)離面力學(xué)特性。石墨烯的靜態(tài)離面力學(xué)行為方面主要研究屈曲，結(jié)果表明在不同尺寸下，石墨烯的屈曲總沿著特定手性方向發(fā)生。結(jié)合電子云排布、能量分析和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)平板模型，研究了手性和尺寸對石墨烯屈曲的影響機(jī)理。石墨烯的動態(tài)離面力學(xué)行為方面主要研究由離面激勵引起的橫波傳遞。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯中橫波傳遞速度在頻率高于3 THz時出現(xiàn)明顯的手性差異，且存在傳播頻率上限，該上限也和手性相關(guān)。基于連續(xù)平板力學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯橫波傳遞的手性差

4、異主要由彎曲剛度手性差異造成;而頻率上限是當(dāng)石墨烯橫波波長和碳碳鍵長接近時非連續(xù)效應(yīng)所致。在此基礎(chǔ)上，提出可以使用橫波干涉方法在室溫下形成周期性、帶隙非零的石墨烯漣波陣列。本文進(jìn)一步研究了多層石墨烯在離面沖擊載荷下的響應(yīng)，結(jié)果表明石墨烯具有遠(yuǎn)高于其他材料的能量非局域化能力。
　　在石墨烯上引入缺陷，是在原子尺度上設(shè)計(jì)石墨烯及其復(fù)合材料的基礎(chǔ)。本文研究了不同入射原子在石墨烯上制造缺陷的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)入射原子和碳原子作用越強(qiáng)，形成單空

5、位缺陷的概率越低，直接置換碳原子的概率越高。晶界作為特殊的一種缺陷，通常也會對石墨烯的力學(xué)特性造成影響。結(jié)合石墨烯屈曲特性研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)晶界可以提高石墨烯納米帶的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，并改善其電子輸運(yùn)特性。
　　本文研究了“石墨烯—銅”納米層狀復(fù)合材料在受到離面沖擊和面內(nèi)剪切載荷下的力學(xué)行為。結(jié)果表明，在遭受離面沖擊載荷的情況下，復(fù)合材料中石墨烯界面的離面和面內(nèi)力學(xué)特性存在很大差異，表現(xiàn)出“強(qiáng)—弱”二相性:一方面石墨烯彎曲剛度較低，受到離面載

6、荷時并不直接承受載荷，而是作為弱界面弱化沖擊波;另一方面石墨烯面內(nèi)強(qiáng)度很高，可以作為強(qiáng)界面阻止位錯的穿透，并且對位錯進(jìn)行修復(fù)。在承受剪切載荷的“石墨烯—銅”層狀復(fù)合材料中，銅層限制了石墨烯界面的離面位移，石墨烯能在面內(nèi)承擔(dān)較大剪切載荷，使得復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和韌性大大提高。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)在卸載過程中石墨烯會對銅層中的位錯進(jìn)行修復(fù)。
　　本文研究了石墨烯離面力學(xué)特性以及缺陷對石墨烯離面力學(xué)特性的影響，在此基礎(chǔ)上研究石墨烯離面力學(xué)行