基于全原子模拟的铜/石墨烯塑性变形行为与力学强化性能分析*

对铜 / 石墨烯塑性变形行为与强化性能分析对膜-基界面耦合提升金属材料使役性能起促进作用,也为纳米铜强韧机制理解提供有益参鉴价值。基于纳米压痕法对石墨烯膜-单晶铜基底的接触特性展开全原子模拟。分析基底表面有无石墨烯、覆石墨烯层数、基底晶面不同的塑性变形行为与力学强化性能,探讨石墨烯边界效应的褶皱对界面接触质量与强化性能的影响。研究表明：对铜 / 石墨烯而言,纳米压痕时的载荷与位移曲线保持线性关系,主要源于石墨烯面内弹性变形呈均匀化; 相比纯铜,铜表面覆石墨烯的承载性更高,其弹性模量与硬度随覆石墨烯层数增加而线性增大。结果指出：铜表面覆三层石墨烯的硬度与弹性模量比纯铜提高约 7.4 倍,其强化效应源自石墨烯受载产生的面内均匀弹性变形与压头?膜基界面接触质量的协同作用;石墨烯褶皱处的应力集中易诱驱铜上表面产生类褶皱波纹的塑性变形痕迹。相比双边界固定的石墨烯而言,单边界固定的石墨烯褶皱变形更大,界面接触质量有所增加,而强化效果相比却降低 28%。当覆石墨烯层数相同时, 不同晶面铜 / 石墨烯的力学性能和膜?基界面塑性变形有着显著各向异性特征。研究结果对微机电系统金属器件力学性能提升有重要作用。