缺陷石墨烯拉伸力学性能的分子模拟研究Word文档下载推荐.docx

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专业：

重庆大学机械工程学院

2019年6月

GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity

MolecularDynamicsStudiesonthe

MechanicalPropertiesofDefectGraphene

Undergraduate:

Supervisor:

AssociateProf.

Major:

CollegeofMechanicalEngineering

ChongqingUniversity

June2019

摘要

在机械应用领域，石墨烯的力学性能尤为关键。

但由于制备工艺的限制，在实际工业生产中所猎取的石墨烯在应用中存在诸多缺陷。

这种缺陷将会影响石墨烯的力学性能，由此可知对工业生产中石墨烯产品的缺陷类型及其防治措施进行研究对提升石墨烯的力学性能具有重要影响。

在本篇文章中对扶手椅方向以及锯齿形方向石墨烯的力学性能进行研究，所采纳的方法为分子动力学方法，研究结果为：

沿扶手椅和锯齿型方向拉伸时石墨烯的拉伸强度分别为：

149.1GPa和230.7GPa；

沿两方向拉伸时石墨烯的弹性模量分别为0.896TPa和0.795TPa。

模拟结果与研究者研究的文献具有良好的一致性。

就石墨烯断裂形式而言，两种拉伸方向上都是从边缘开始断裂，但断裂方向和拉伸方向之间的夹角不同：

沿扶手椅方向拉伸时夹角大约为45°

，沿锯齿型方向拉伸时夹角大约为90°

。

随后本文分别从材料的缺陷类型、数量、重构以及分布形式等四个方面论述了材料缺陷对石墨烯力学性能以及断裂方式等方面的影响。

根据试验结果可知，材料的缺陷在一定程度上影响了石墨烯的力学性能，其中双空位缺陷对石墨烯的力学性能影响较大，当石墨烯材料出现单空位缺陷时对力学性能的影响低于双空位缺陷，其中SW缺陷对材料的力学性能影响最小，且随着缺陷数量的增加影响程度进一步加深，但空位缺陷重构可以降低缺陷对石墨烯拉伸力学性能的影响。

这与石墨烯中存在悬键的数量有关，悬键数量越多，对石墨烯拉伸力学性能的而影响也会越大。

就石墨烯材料的缺陷分布方向而言，拉伸和缺陷分布方向重合度小，因而对石墨烯的力学性能影响较大。

关键词：

石墨烯，缺陷，分子动力学，杨氏模量，拉伸强度

ABSTRACT

Inthefieldofmechanicalapplications,themechanicalpropertiesofgrapheneareparticularlycritical.However,duetothelimitationofthepreparationprocess,thegrapheneobtainedinactualindustrialproductionhasmanydefectsintheapplication.Thiskindofdefectwillaffectthemechanicalpropertiesofgraphene.Itcanbeseenthattheresearchonthedefecttypesandpreventionmeasuresofgrapheneproductsinindustrialproductionhasanimportantinfluenceonimprovingthemechanicalpropertiesofgraphene.

Inthispaper,themechanicalpropertiesofgrapheneintheorientationofthearmchairandinthezigzagdirectionarestudied.Themethodusedisamoleculardynamicsmethod.Theresultsare:

stretchingofgrapheneduringstretchinginthearmchairandzigzagdirection.Theintensitieswere:

149.1GPaand230.7GPa,respectively;

thetensilemodulusofgraphenewhenstretchedintwodirectionswas0.896TPaand0.795TPa,respectively.Thesimulationresultsareingoodagreementwiththeliteraturestudiedbytheresearchers.Asfarasthegraphenefractureformisconcerned,bothdirectionsofstretchingstartfromtheedge,buttheanglebetweenthedirectionoffractureandthedirectionofstretchingisdifferent:

theangleofstretchinginthedirectionofthearmchairisabout45°

alongtheTheangleinthezigzagdirectionisapproximately90°

.

Then,thepaperdiscussestheeffectsofmaterialdefectsonthemechanicalpropertiesandfracturemodesofgraphenefromfouraspects:

defecttype,quantity,reconstructionanddistributionform.Accordingtotheexperimentalresults,thedefectsofthematerialaffectthemechanicalpropertiesofgraphenetoacertainextent.Thedoublevacancydefectshaveagreatinfluenceonthemechanicalpropertiesofgraphene.Whenthegraphenematerialhassinglevacancydefects,themechanicalpropertiesarelessthanthat.Doublevacancydefects,inwhichSWdefectshavetheleastinfluenceonthemechanicalpropertiesofthematerial,andthedegreeofinfluenceisfurtherdeepenedwiththeincreaseofthenumberofdefects,butthevacancydefectreconstructioncanreducetheinfluenceofdefectsonthetensilemechanicalpropertiesofgraphene.Thisisrelatedtotheamountofdanglingbondsingraphene.Themorethedanglingbonds,thegreatertheinfluenceonthetensilemechanicalpropertiesofgraphene.Intermsofthedefectdistributiondirectionofthegraphenematerial,thedegreeofcoincidenceofthestretchingandthedefectdistributiondirectionissmall,andthusthemechanicalpropertiesofthegraphenearegreatlyaffected.

Keywords：

Graphene,Defects,MD,Young’smodulus,Tensilestrength

1绪论

1.1研究目的及意义

石墨烯即碳原子构成的一种二维石墨，是化工领域出现的一种新型材料，C−C键键长约为0.142nm，在2004年由国外学者Novoselov等[1]利用机械玻璃等方法所研制出的材料，由石墨、碳纳米管（CNT）、富勒烯（C60）等基本单元组合而成[2]。

在石墨烯中，每个碳原子与相邻的碳原子相互连接，并组成六元环结构并不断延伸拓展，最终会形成蜂窝状平面片层，如下图1.1所示，右下图可知，该材料的厚度约为0.335纳米[3]，组成的平面片层材料的厚度近似等于碳原子直径，是已知材料中厚度最小的。

研究发觉，石墨烯在电学、光学等领域应用十分广泛，表现出了其他材料所不具有的优良性能，因而被研究者所普遍关注和研究，例如石墨烯的强度高达130GPa且禁带宽度几乎为零[4]、室温下热导率5000W·

m-1·

K-1[5]、具有分数量子霍尔效应[6,7]等。

优异的性能使石墨烯在传感器、晶体管、气体分离膜等多种领域具有辽阔的应用前景。

另外，石墨烯是当前学术界已知的强度最高且弹性最好的材料之一，因此它也是提高高分子复合材料力学性能的理想纳米填料。

当前工业生产和制备石墨烯的方法包含机械剥离、氧化还原、电弧法以及化学气相沉积法等等多种不同的方法[8,9]，但当前工业生产中所应用的制备石墨烯的方法通常存在工艺性差等诸多问题，因而制备的材料存在一定缺陷。

由此可知，研究缺陷类型和石墨烯力学性能之间的相关性具有十分重要的意义。

图1.1理想石墨烯结构示意图

1.2文献综述

1.2.1石墨烯的缺陷结构

但由于制备工艺的限制，在实际工业生产中所猎取的石墨烯在应用中存在诸多缺陷，石墨烯材料缺陷的存在会对石墨烯的微观结构造成影响。

由于碳原子丢失而引起的空位缺陷是最简洁的缺陷。

在制备过程中，当石墨烯中心碳原子和相邻碳原子出现丢失后，会星湖层空位缺陷，其中缺失一个碳原子的缺陷称之为单空位缺陷，缺失两个碳原子的缺陷类型称之为双空位缺陷，两种不同缺陷类型分别如下图1.2（a）（b）所示。

缺失的碳原子破坏了石墨烯结构的完整性，使得碳原子周边形成了悬键[10]。

SW缺陷是石墨烯中典型的拓扑缺陷之一。

在完善石墨烯晶格中，两个成键的碳原子绕其中点旋转90度，然后与相邻碳原子成键，导致局部形成了两个七元环和两个五元环结构，即为SW缺陷[11]，如图1.2（c）所示。

在不同石墨烯片层中若存在不同取向晶区分界线将会导致石墨烯材料出现线缺陷，线缺陷具体示意图如下1.2（d）所