石墨烯／Cu复合材料力学性能的分子动力学模拟

1、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University石墨烯复合材料力学性能的石墨烯复合材料力学性能的分子动力学模拟分子动力学模拟Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University一、石墨烯性能相关介绍一、石墨烯性能相关介绍二、分子动力学模型和方法二、分子动力学模型和方法三、结果与讨论三、结果与讨论Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaot

2、ong University石墨烯是一种由石墨烯是一种由sp2共价键结合碳原子组成的二维晶体结构，共价键结合碳原子组成的二维晶体结构，理论厚度大约理论厚度大约0.335nm，因此具有很大的比表面积。，因此具有很大的比表面积。石墨烯石墨烯力学性能力学性能电学性能电学性能热物理性能热物理性能理想的纳米填理想的纳米填充材料充材料一、石墨烯性能相关介绍一、石墨烯性能相关介绍Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University二、分子动力学模型和方法二、分子动力学模型和方法1.实验模型实验模型单晶铜单晶铜:15.

3、347*7.08*7.2nm3石墨烯：石墨烯：10.22*4.72nm2石墨烯厚度石墨烯厚度:0.335nm势函数势函数Cu - Cu ：嵌入：嵌入EAM势势 C C ： Cu C : Morse势势反应经验键序反应经验键序（REBO）势）势Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University三、结果与讨论三、结果与讨论1.拉伸应力应变响应拉伸应力应变响应弹性应变大于以后，弹性应变大于以后，弹性段表现出一定的非线弹性段表现出一定的非线性特征，因此通过拟合应性特征，因此通过拟合应力应变曲线的初始线性力应变

4、曲线的初始线性段（应变）即可得段（应变）即可得到材料的初始等效弹性模到材料的初始等效弹性模量。量。根据Halpin-Tsai模型，采用体积分数为的石墨烯（w、l和t分别为石墨烯的宽、长和厚度）增强弹性模量为的基体所得单向增强复合材料的相对弹性模量为:Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University式中：式中：0为复合材料的弹性模量为复合材料的弹性模量常数常数和和 分别定义为分别定义为:和和分别为石墨烯和基体的弹性模量分别为石墨烯和基体的弹性模量。Xian Jiaotong UniversityXia

5、n Jiaotong UniversityXian Jiaotong University分子动力学模拟得到的复合材料等效弹性模量在石墨烯体分子动力学模拟得到的复合材料等效弹性模量在石墨烯体积分数较小时，随石墨烯的体积分数增加而线性增加，模积分数较小时，随石墨烯的体积分数增加而线性增加，模拟结果与拟结果与Halpin-Tsai模型的预测趋势一致模型的预测趋势一致.同时也表明载荷成功地同时也表明载荷成功地从金属基体通过界面作从金属基体通过界面作用传递到了石墨烯上。用传递到了石墨烯上。此外，还可从图中观此外，还可从图中观察到复合材料的强度和察到复合材料的强度和变形能力也随着石墨烯变形能力也随着石墨

6、烯的加入得到一定程度的的加入得到一定程度的提高。提高。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University石墨烯与基体之间的结合强度决定了材料的最终强度。石墨烯与基体之间的结合强度决定了材料的最终强度。根据剪滞理论，石墨烯面内拉伸方向的应力根据剪滞理论，石墨烯面内拉伸方向的应力与界面上与界面上的剪应力的剪应力之间的关系可以表示为之间的关系可以表示为:距离石墨烯表面处的剪应变可以定义为距离石墨烯表面处的剪应变可以定义为:式中：为位移式中：为位移;为基本的剪切模量为基本的剪切模量基于对石墨烯和基体材料应变假

7、设基于对石墨烯和基体材料应变假设:Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University并认为石墨烯的厚度与其他方向的尺寸相比为小量并认为石墨烯的厚度与其他方向的尺寸相比为小量同时，得到石墨烯表面的剪应力为同时，得到石墨烯表面的剪应力为式中：式中：其中，其中， 为石墨烯复合材料的单元胞体模为石墨烯复合材料的单元胞体模型在方向的尺寸型在方向的尺寸Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1.提高提高nL/t

8、的值，可以提高石墨烯的应力传递效率。的值，可以提高石墨烯的应力传递效率。2.提高石墨烯在拉伸方向的长厚比以及石墨烯的体积提高石墨烯在拉伸方向的长厚比以及石墨烯的体积含量来提高复合材料的宏观等效强度。含量来提高复合材料的宏观等效强度。3.石墨烯在基体材料中的排列方式也对复合材料的力石墨烯在基体材料中的排列方式也对复合材料的力学性能具有重要的影响。学性能具有重要的影响。.石墨烯对裂纹扩展的抑制石墨烯对裂纹扩展的抑制结结论论在单晶铜中加入石墨烯提在单晶铜中加入石墨烯提高了材料的强度和断裂应高了材料的强度和断裂应变。石墨烯变。石墨烯/Cu复合材料复合材料表现出较大的延伸能力，表现出较大的延伸能力，断裂

9、应变远大于含裂纹的断裂应变远大于含裂纹的单晶铜单晶铜.Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University单晶铜中的预制裂纹单晶铜中的预制裂纹迅速扩展，裂纹不断迅速扩展，裂纹不断扩大并形成明显的紧扩大并形成明显的紧缩现象，最终导致材缩现象，最终导致材料断裂。石墨烯料断裂。石墨烯复合材料由于在单复合材料由于在单晶铜的基础上加入了晶铜的基础上加入了石墨烯的片层结构，石墨烯的片层结构，裂纹尖端到达石墨烯裂纹尖端到达石墨烯表面并不能形成贯穿，表面并不能形成贯穿，随着载荷的增加，金随着载荷的增加，金属基体产生了沿

10、石墨属基体产生了沿石墨烯表面的滑移烯表面的滑移.Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University随着载荷的增加裂纹尖端始终不能穿过石墨烯片层结构，在随着载荷的增加裂纹尖端始终不能穿过石墨烯片层结构，在界面上出现密排六方结构的金属原子，表明复合材料的部分界面上出现密排六方结构的金属原子，表明复合材料的部分塑性变形将通过沿石墨烯表面的滑移来实现。塑性变形将通过沿石墨烯表面的滑移来实现。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaoton

11、g University3.结论结论（）建立了石墨烯（）建立了石墨烯/Cu复合材料的原子模型，预测了较复合材料的原子模型，预测了较低石墨烯体积含量情况下复合材料的弹性模量随石墨烯的低石墨烯体积含量情况下复合材料的弹性模量随石墨烯的体积分数线性增加，数值模拟结果与体积分数线性增加，数值模拟结果与Halpin-Tsai方法预测方法预测结果一致。此外，石墨烯的加入提高了复合材料的屈服应结果一致。此外，石墨烯的加入提高了复合材料的屈服应力。力。（）通过比较裂纹在单晶铜和石墨烯（）通过比较裂纹在单晶铜和石墨烯/Cu复合材料中的复合材料中的动态扩展过程，表明石墨烯的加入对于阻止裂纹的扩展动态扩展过程，表明石墨烯的加入对于阻止裂纹的扩展有显著的作用，从而提高了复合材料的变形能力。有显著的作用，从而提高了复合材料的变形能力。（）石墨烯（）石墨烯/Cu复合材料的塑性变形主要表现为沿石墨复合材料的塑性变形主要表现为沿石墨烯表面的滑移，表明石墨烯与金属烯表面的滑移，表明石墨烯与金属Cu的界面力学性能