石墨烯離面力學特性及其復合材料設計.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。由于在強度、導熱性、電子輸運和光學等方面顯示出不同尋常的特性，石墨烯迅速成為材料科學、物理、化學和力學等學科的研究熱點。石墨烯的變形通常會引起電學、磁學和光學特性的改變，研究石墨烯的力學特性對其在納米材料、納米器件和納機電系統(tǒng)中的應用具有重要的意義。可以在原子尺度上對石墨烯進行材料設計，比如引入缺陷和摻雜官能團可以調控石墨烯的力學和其它物理特性。為克服石墨烯二維結構

2、在工程應用中的局限性，三維化石墨烯復合材料研究受到了廣泛關注。研究復合材料中石墨烯的力學行為，以及石墨烯力學行為對復合材料性能的影響，對于設計石墨烯復合材料有著重要的指導意義。
　　石墨烯的力學行為可以分為面內和離面二類。在石墨烯復合材料中，石墨烯通常是以界面的形式存在，其離面力學行為對復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特性及其對石墨烯復合材料力學性能的影響，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)離面力學特性。石墨烯的靜態(tài)離面力學行為方面主要研究屈曲，結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。結合電子云排布、能量分析和連續(xù)介質力學平板模型，研究了手性和尺寸對石墨烯屈曲的影響機理。石墨烯的動態(tài)離面力學行為方面主要研究由離面激勵引起的橫波傳遞。研究發(fā)現石墨烯中橫波傳遞速度在頻率高于3 THz時出現明顯的手性差異，且存在傳播頻率上限，該上限也和手性相關?；谶B續(xù)平板力學模型，研究發(fā)現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;而頻率上限是當石墨烯橫波波長和碳碳鍵長接近時非連續(xù)效應所致。在此基礎上，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。本文進一步研究了多層石墨烯在離面沖擊載荷下的響應，結果表明石墨烯具有遠高于其他材料的能量非局域化能力。
　　在石墨烯上引入缺陷，是在原子尺度上設計石墨烯及其復合材料的基礎。本文研究了不同入射原子在石墨烯上制造缺陷的能力，結果發(fā)現入射原子和碳原子作用越強，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特性造成影響。結合石墨烯屈曲特性研究結果，發(fā)現晶界可以提高石墨烯納米帶的扭轉強度，并改善其電子輸運特性。
　　本文研究了“石墨烯—銅”納米層狀復合材料在受到離面沖擊和面內剪切載荷下的力學行為。結果表明，在遭受離面沖擊載荷的情況下，復合材料中石墨烯界面的離面和面內力學特性存在很大差異，表現出“強—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強度很高，可以作為強界面阻止位錯的穿透，并且對位錯進行修復。在承受剪切載荷的“石墨烯—銅”層狀復合材料中，銅層限制了石墨烯界面的離面位移，石墨烯能在面內承擔較大剪切載荷，使得復合材料的剪切強度和韌性大大提高。進一步，研究發(fā)現在卸載過程中石墨烯會對銅層中的位錯進行修復。
　　本文研究了石墨烯離面力學特性以及缺陷對石墨烯離面力學特性的影響，在此基礎上研究石墨烯離面力學行