石墨烯/Cu复合材料力学性能的分子动力学模拟

结合嵌入原子方法（EAM）、反应经验键序（REBO）作用势和Morse势函数,采用分子动力学方法研究了石墨烯/Cu复合材料的弹性性能和变形机制。分子动力学计算得到复合材料的弹性模量随石墨烯体积分数的增加而线性增加,这与Halpin-Tsai模型的预测趋势吻合。此外,石墨烯的加入同时也提供了复合材料的屈服强度。通过比较预制裂纹在单晶铜和石墨烯/Cu复合材料中的动态扩展,发现石墨烯的加入显著抑制了裂纹的扩展,材料的变形主要表现为沿石墨表面的滑移。石墨烯很大程度上提高了复合材料的塑性变形能力。     

基于分子动力学方法的石墨烯/聚乙烯复合材料界面剪切力学性能的研究

采用分子动力学模拟的方法进行石墨烯/聚乙烯复合材料界面剪切力学性能的研究。首先建立石墨烯/聚乙烯复合材料分子动力学模拟计算的模型,然后在300 K温度下对石墨烯进行了拉拔模拟实验,探讨石墨烯倾斜角度和层数对复合材料界面剪切力学性能的影响。模拟计算结果表明,在拔出速率为0.001 nm/fs的情况下,石墨烯25°倾斜角模型的界面剪切强度最大,比0°倾斜角模型界面剪切强度增加了39.8%,可见石墨烯倾斜角对界面剪切强度有较大的影响。在拔出速率为0.001 nm/fs和石墨烯0°倾斜角的情况下,单层、双层和三层石墨烯的聚乙烯复合材料模型的界面剪应力最大值分别为89.20、114.21和129.28 MPa,显然增加石墨烯层数能显著提高复合材料的界面剪切性能。当拔出速率为0.0005 nm/fs时,单层、双层和三层石墨烯的聚乙烯复合材料模型的剪切强度值比较接近,随着速率增加到0.001 nm/fs,三层模型剪切强度增强最大,双层模型次之,单层模型最小,然而速率超过0.001 nm/fs之后,单层模型剪切强度几乎线性增强,双层和三层模型剪切强度增强的幅度均比单层模型小,这说明拔出速率的增加使得复合材料的界面剪切强度呈现较大的提高。     

石墨烯/聚乙烯复合材料致密区间密度变化的分子动力学模拟

石墨烯增强复合材料的性能受到粘结界面,致密区间等多种因素的影响.如果没有考虑到这些因素的影响,在分析石墨烯增强复合材料时可能会导致错误的结果.本文采用分子动力学模拟的方法进行石墨烯/聚乙烯复合材料致密区间密度变化的分析.首先对聚乙烯晶胞进行分子动力学计算,得到的聚乙烯晶胞密度为0.95 g/cm3,与聚乙烯实际密度吻合...     

石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料的拉伸性能：粗粒化分子动力学模拟

高强度是复合材料设计追求的重要目标,自然界中的珍珠层具有优异的力学性能,受其复杂的层次结构的启发,设计了一种石墨烯交错排布增强聚甲基丙烯酸甲酯的纳米复合材料。利用粗粒化分子动力学模拟,系统地研究了拉伸载荷作用下石墨烯的二维几何形状、层数、空间排布对纳米复合材料整体力学性能的影响。结果表明,不同几何形状的石墨烯对复合材料的增强效果有很大的差异,其中,矩形与锯齿形接近,都强于梯形石墨烯;存在最佳的石墨烯层数使复合材料的整体拉伸力学性能最强;减少石墨烯层间距离或增加重叠距离,都可提升其力学性能。总之,现有的研究结果揭示了各个因素的影响规律及微观机制,为设计具有目标性能的纳米复合材料提供了理论指导。     

石墨烯取向影响石墨烯/硝酸盐复合材料传热性能的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学（NEMD）方法,以二元硝酸盐Solar salt（NaNO3和KNO3质量比为6∶4）为基体,石墨烯为填料,研究了石墨烯取向对石墨烯/硝酸盐复合材料界面热导的影响。研究发现,随着石墨烯平面与热流方向夹角的减小,体系热流密度升高、温差下降,界面热导从46.36 MW·m^-2·K^-1提升至80.03 MW·m^-2·K^-1。对复合材料中的原子振动态密度和微观结构进行表征,结果发现,随着石墨烯与热流夹角减小,界面处的热流从跨石墨烯平面运输转变为沿石墨烯平面的高效率运输,且加入石墨烯后硝酸盐会形成密度较大的致密层结构。同时,采用有效介质理论拟合了微观尺寸的石墨烯/硝酸盐复合材料热导率,结果表明,石墨烯平行于热流方向时复合材料热导率最高,且增加石墨烯体积分数及长度均有助于复合材料热导率的增强。     

石墨烯增强层对石墨烯/Al复合材料不同压缩阶段的强化影响

利用分子动力学(MD)方法探究了石墨烯纳米片(GNs)层数和每层片数对GNs/Al复合材料不同压缩阶段力学增强效果的影响。结果发现：GNs层和片数越多,复合材料弹性模量、屈服强度和最大应力强度的增强效果越显著,且增强层由3片及以上GNs构成时,压缩曲线会出现双最大应力峰值。压缩后期,GNs的断裂造成复合材料的各向异性,使复合材料在GNs锯齿形方向上的横向变形大于扶手椅方向。与MD结果对比分析发现,当金属层厚不足3 nm时,限制层滑模型不再适用。     

功能化石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合材料及其力学性能的分子动力学模拟

根据分子动力学模拟方法,采用ReaxFF势函数,模拟交联聚二甲基硅氧烷(PDMS)从功能化石墨烯(fG)脱离的过程.计算了拉伸过程中的相互作用能、极限应力、应变等,研究了3种功能基团修饰的石墨烯(羟基(-OH)、氨基(-NH2)、碳基(-CH3))对复合材料界面力学性能的影响.结果 表明,功能基团的不同对复合材料界面力...     

镀镍石墨烯/钛复合材料界面力学行为的分子动力学研究

目的 研究拉伸载荷下镀镍石墨烯/钛复合材料界面的应力-应变行为。方法 采用分子动力学模拟方法,建立了镀镍石墨烯/钛复合材料界面的单晶模型,研究了不同方向拉伸载荷下材料的力学行为。结果 镀镍石墨烯复合材料的力学性能随着镀层厚度的增大而提高,镀层镍可以作为位错源使复合材料的位错密度提高,镀层镍塑性变形的滞后使镀镍石墨烯/钛复合材料具有更高的塑性变形能力。结论 材料的力学性能更多依赖于镀镍层数,随着镀层厚度的增大,镀镍石墨烯/钛复合材料表现出了更高的抗拉强度,但界面处的裂纹和空洞数量也有所增加,材料的延伸率有所下降。     

石墨烯/酚醛树脂复合材料的制备及电学性能研究

以石墨为原料,采用改进Hummers方法制备氧化石墨,在水中经超声分散得到氧化石墨烯分散液,经80%水合肼还原得到石墨烯。又以苯酚和甲醛为原料,草酸和盐酸作催化剂,制备热塑性酚醛树脂。得到的石墨烯与酚醛树脂由熔融共混法制备其复合材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、交流阻抗等分别对石墨烯以及石墨烯/酚醛树脂复合材料进行形貌和结构表征及电学性能测试。研究结果表明:采用改进Hummers方法制备的石墨烯有良好的片层状形貌,石墨烯均匀包覆着酚醛树脂,石墨烯/酚醛树脂复合材料有良好的导电性能。当石墨烯的添加量为2.0%时,复合材料的阻抗为140Ω,比未添加时阻抗减少25倍。     

常压烧结法制备石墨烯-铜纳米复合材料

石墨烯由于具有超高强度、刚度以及优异的热学和电学性能,被认为是金属基复合材料的理想增强相.本文采用常压烧结法制备了石墨烯增强铜基纳米复合材料.采用电镜观察以及其它相应的材料表征对其微观组织及化学成分进行了研究.这些表征结果显示了常压烧结后石墨烯在复合材料中的留存及分布情况.随后对复合材料的硬度及摩擦系数进行了测试.测试...     

纳米铝液的转移方式对图案自动成型效果的模拟

目的 研究利用选择性吸附原理实现纳米图案自动成型的可行性,以及转移方式对自动成型效果的影响。方法 通过分子动力学方法分别研究块体铝和两纳米铝团簇的加热升温过程,得到纳米铝液势能–温度变化曲线,并确定纳米铝液图案自动成型的模拟温度;利用LAMMPS软件建立图案自动成型所需的印版模型;分别以液膜转印和液滴喷印的方式,研究纳米铝液在石墨烯–铜基印版表面上润湿铺展情况。结果 纳米铝液能够在石墨烯–铜基印版表面实现图案自动成型;液膜模型和液滴模型的图案自动成型效果不同,液膜较薄时（双层铝原子）模拟时间为1 200 ps时,整个体系达到动态平衡状态,图案区的铝液厚度约为1.8 nm,图案自动成型效果较好;当液膜较厚时（三层铝原子）,模拟时间为1 200 ps时,整个体系达到动态平衡状态,但图案区的两线条间存在较多铝原子残留,自动成型效果较差;而2种液滴模型均实现了较好的图案成型效果,液滴数量为4滴时,模拟时间为3 000 ps时可形成厚度均匀的图案,当液滴数量为6滴时,模拟运行600 ps时图案区即可形成的稳定均匀的线条。结论 利用选择性吸附原理可实现纳米图案自动成型,成型效果受铝液转移方式的影响...     

钽基体上铜薄膜微观结构的分子动力学模拟

运用分子动力方法模拟了铜薄膜在钽（100）及（111）基体上沉积过程。结果表明沉积过程中铜薄膜的晶格位向取决于钽基体的晶格位向．在钽（100）面上，铜薄膜在不同的温度下分别沿（111）或（110）面生长，所形成的晶界与住错沿着薄膜的生长方向发展，薄膜表面的粗糙度与沉积温度有关，低温时表面粗糙度较大。而在钽（100）面上，铜薄膜的外延生长面为（100）面，位错沿（111）面分布，并只存在于界面附近，在铜薄膜的内部仅有少量的点缺陷，薄膜表面粗糙度较小并与沉积温度无关。     

新型颗粒增强金属玻璃复合材料的拉伸增韧机制

引入第二相可以有效地提高金属玻璃基复合材料的塑性。本文通过大规模分子动力学模拟,研究了枝晶弥散分布在基体中的金属玻璃基复合材料试样在单轴拉伸载荷下的力学行为。结果表明,枝晶的聚集程度显著影响材料中剪切带的行为,并导致不同的材料拉伸塑性。枝晶体积分数较小时,金属玻璃基复合材料的塑性变形由STZ原子形成剪切带机制占主导,材料的屈服应力和峰值后应力降总体随枝晶聚集程度的减小而减小;枝晶体积分数较大时,材料塑性变形由枝晶内位错滑移机制占主导,材料的屈服强度和峰值后应力降总体随枝晶聚集程度的减小而增大;在枝晶体积分数中等的情况下,两种机制同时起作用且互相影响,使材料屈服应力和塑性变形能力随枝晶聚集程度变化而呈现复杂非单调的变化趋势。本文工作旨在为具有复杂第二相的金属玻璃基复合材料的设计提供指导。

     

纳米石墨烯复合材料的制备及应用研究进展

石墨烯作为一种由单原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构碳材料,具有许多特殊的物理化学性质,使其在各个领域均表现出良好的应用前景。目前石墨烯及纳米石墨烯复合材料的制备和应用已成为材料界研究的重点和热点。在简要介绍石墨烯的结构和性质的基础上,介绍了石墨烯的4种制备方法——机械剥离法、化学气相沉积法、化学剥离法和化学合成法。总结了纳米石墨烯/聚合物复合材料以及纳米无机/石墨烯复合材料的制备及应用,并重点讨论了纳米石墨烯复合材料在生物医药、电子器件、微波吸收、传感器以及电极材料等方面独特的应用优势,展望了纳米石墨烯复合材料的发展前景及研究方向。     

浅析宏观与纳观材料拉伸强度差异

应用分子动力学方法,采用EAM势函数模拟纳米单晶铜的拉伸过程,在拉伸的数值模拟过程中,采用具有完整结构和各种缺陷结构模型,观察缺陷对模型强度的影响,给出各个模型拉伸时应力应变曲线及极限应力,分析纳米尺度材料与宏观材料强度极限存在巨大差距的原     

刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程影响的分子动力学分析

采用分子动力学方法对不同刀尖圆弧半径时在纳米级尺度下切削加工单晶铜表面的过程进行分子动力学建模、计算与分析,研究不同刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程中微观接触区域原子状态和作用力变化的影响规律.研究结果发现:在单晶铜纳米切削过程中,切削作用力、位错及位错发射等缺陷随着切削厚度或刀尖圆弧半径的增大而增加;在相同切削厚度,相同切削距离下,刀尖圆弧半径越大,在刀具前方堆积的切屑体积越小.此外,在切削距离为1 nm时,切削作用力发生突变;在切削距离1 nm到2 nm时,可以明显看到随切削距离的增加,刀尖圆弧半径越小,切削作用力上升幅度越大.在切削距离为3.5 nm时,切削作用力基本保持稳定波动,其主要原因是位错等缺陷的产生引发作用力的波动.     

3C-SiC辐照诱发缺陷演化及温度效应分子动力学模拟

Ni/SiC陶瓷金属基纳米复合材料具有出色的力学性能和抗辐照性能,使其成为熔盐反应堆结构材料的优选之一。本研究采用分子动力学模拟方法,研究了单轴拉伸速率和SiC体积分数对Ni/SiC纳米复合材料的拉伸力学性能的影响,并通过观察Ni/SiC纳米复合材料在单轴拉伸过程中的结构演变,揭示了该复合材料的变形机理。研究结果显示,Ni/SiC复合材料的杨氏模量与拉伸速率之间呈现半对数关系,该材料的屈服强度与拉伸速率相关,当拉伸速率小于1×10⁹/s时,屈服强度基本保持不变,当拉伸速率超过此阈值时,屈服强度随拉伸速率增加而增大。此外,SiC体积分数对Ni/SiC复合纳米材料的拉伸力学性能也有重要影响,SiC体积分数的临界值(临界体积分数)计算结果为0.299±0.04。当SiC体积分数低于临界值时,Ni/SiC纳米复合材料的单轴拉伸性能主要由基体Ni的性质决定,且不存在应变硬化现象,其拉伸性能机理归因于Ni-Ni界面大量位错的释放而表现出优异的塑性性能。相反,当SiC体积分数超过临界值时,Ni/SiC纳米复合材料的力学行为主要受SiC影响。随着SiC体积分数的增加,应变硬化和脆性变得更加显著。最初的裂纹形成于Ni-Ni界面,并随着应变增加而扩展。Ni-Ni界面的滑移和SiC晶粒的旋转被确定为体系塑性变形的主要原因。这些发现有助于更好地理解Ni/SiC复合材料的力学性能及其潜在应用,对于熔盐反应堆结构材料的选用具有指导意义。