单层石墨烯温度效应的分子动力学模拟

在不同温度条件（0 K-3000K）下,采用AIREBO势函数对单层石墨烯薄膜的弛豫性能和拉伸性能进行分子动力学模拟,研究单层石墨烯在弛豫过程中温度效应对其原子结构的影响以及单层石墨烯在拉伸过程中力学性能与温度效应的关系.研究结果表明：单层石墨烯的弛豫性能和拉伸性能均对温度具有很强的依赖性.理想状态下,单层石墨烯的弛豫是一个原子结构的动态平衡过程,随着温度升高,石墨烯稳定性降低,弛豫过程中原子的波动起伏变得不规则和剧烈起来.在温度从0K上升到3000K的过程中,单层石墨烯的拉伸强度、拉伸极限应变和弹性模量值均呈现下降趋势,且锯齿型石墨烯的弹性模量对温度的依赖程度比扶手椅型大,薄膜的拉伸随温度变化表现出不同的破坏形态.     

石墨烯薄膜拉伸性能的分子动力学模拟

通过分子动力学模拟,对单层和多层石墨烯薄膜在两个方向上的拉伸力学性能进行了研究,得到了相应的应力-应变关系以及拉伸破坏形态.对单层石墨烯薄膜,研究了薄膜尺寸对其拉伸性能的影响;对多层石墨烯薄膜,研究了薄膜尺寸相同时层数对其拉伸性能的影响.结果表明:单层石墨烯薄膜两个方向的弹性模量分别为1078.02GPa(扶手椅型)和1041.53GPa(锯齿型);在拉伸线弹性变形阶段,单层石墨烯薄膜是各向同性的,且薄膜尺寸变化对单层石墨烯薄膜拉伸性能的影响不大;多层石墨烯薄膜在拉伸过程中的应力-应变关系与单层石墨烯薄膜类似,且在拉伸线弹性变形阶段表现出比单层石墨烯薄膜更为明显的各向同性;扶手椅型石墨烯薄膜的破坏从一侧边缘开始,并沿45°方向向薄膜内部延伸,锯齿型石墨烯薄膜的破坏从两侧边缘开始,对称地向内部延伸.     

单层石墨烯薄膜拉伸破坏应变率相关性的分子动力学研究

采用Tersoff势对扶手椅型（Armchair）和锯齿型（Zigzag）单层石墨烯薄膜在不同应变率条件下的零温单向拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟,预测了石墨烯薄膜拉伸破坏的应变率效应.结果表明,石墨烯薄膜的拉伸力学性能具有应变率相关性.当应变率低于5×10^9s^-1时,两种不同手性的单层石墨烯薄膜的拉伸过程经历了一次强化阶段,杨氏模量均随应变率的增大而减小,抗拉强度对应变率不敏感;当应变率高于5×10^9s^-1时,拉伸过程经历了二次强化,尤其锯齿型的,杨氏模量、抗拉强度和对应的拉伸应变均随应变率的增大而显著增大.在不同的应变率下,石墨烯薄膜具有不同的拉伸破坏变形机制.在低应变率下,石墨烯沿主断裂带断裂破坏,而在高应变率下,形成了缺陷簇,具有非晶化特征.     

温度对石墨烯条带拉伸力学性能影响的模拟研究

利用分子动力学模拟,分析了单层石墨烯条带在热力学温度[1K,800K]范围内拉伸力学性能对条带手性,宽度及模拟温度的依赖性.结果表明,相同条件下锯齿型石墨烯条带较扶手椅型石墨烯条带具有更大的弹性模量及拉伸强度;条带宽度的增加对弹性模量有较小影响,但拉伸强度随宽度的增加有明显变化;石墨烯条带拉伸强度随温度的升高而减小,均匀变温模拟条件下拉伸强度较室温恒温模拟结果有所变化,且温度变化率是影响拉伸强度的因之一.     

空位缺陷对单层石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对完美的和含空位缺陷的单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,分别研究了单个单原子空位缺陷和单个双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯拉伸力学性能及变形机制的影响.研究结果表明,单原子空位缺陷和双原子空位缺陷对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜的杨氏模量没有影响,但在一定程度上降低了拉伸强度和拉伸极限应变.单原子空位缺陷和双原子空位缺陷使拉伸强度降低幅度最高达8.10%和6.41%,并大幅度降低极限应变.缺陷对石墨烯的拉伸变形破坏机制也有一定的影响.在外载作用下,新的缺陷的萌生位置均出现在空位缺陷附近.     

硅掺杂对石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对硅掺杂石墨烯薄膜的拉伸过程进行了分子动力学模拟,研究了不同硅掺杂比对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响,得到了相应的应力-应变关系以及拉伸破坏形态.研究结果表明,硅原子的替换掺杂对石墨烯薄膜杨氏模量的影响明显,其拉伸极限应变和拉伸强度随着硅原子掺杂比的增大而显著减小.     

含中心裂纹石墨烯拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学方法,采用Tersoff势函数,研究了含中心裂纹扶手椅型单层石墨烯薄膜的破坏过程.得到了相应的应力-应变曲线及破坏形态,分析了裂纹尺寸、应变率以及温度变化对含中心裂纹石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响.研究结果表明:随着裂纹尺寸的增大及温度的升高,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均减小,裂纹开始扩展时对应的应力减小;随着应变率增大,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均增加,裂纹的起裂应力及扩展过程中的平均速度均增加;薄膜的破坏均是从中心裂纹附近开始,随着裂纹尺寸、应变率及温度的变化,石墨烯薄膜表现出不同的破坏机制;较高应变率作用下,薄膜中心和边缘处均出现C—C键断裂.     

电子在硅掺杂石墨烯结构中的输运特性

该文利用密度泛函理论计算了石墨烯6×3×1单层分子中的电子传输特性.计算结果表明,Si掺杂位置不同,石墨烯的能带结构发生改变.然后沿锯齿型方向加电极电压0.5V,再分别沿锯齿型方向和扶手椅型方向进行掺杂,利用Dmol~3模块分析得到其传输特性曲线.计算结果表明,在掺杂原子均匀分布时,在其两端加正向电压和反向电压的情况下,电子传输相对较为稳定.当沿锯齿型方向和扶手椅型方向间隔掺杂时,电子反向传输浮动较大.并且发现在扶手椅型方向上掺入Si原子增多,则电子传输曲线峰值降低,符合欧姆定律的特性.     

2012-09 科技期刊亮点

分子动力学模拟单层石墨烯温度效应华南理工大学土木与交通学院韩强等采用分子动力学方法,对不同温度(0K—3000K)下单层石墨烯的弛豫性能和单层石墨烯在两个方向的拉伸性能进行模拟,研究温度变化对单层石墨烯在弛豫过程中稳定性的影响效应,以及单层石     

单层石墨烯力学性能尺寸效应的有限元分析

本文采用杆件系统模拟单层石墨烯结构,其中石墨烯的碳-碳共价键视为杆件,碳原子视为杆件之间的连接点。基于杆件系统的有限元方法,计算出单层石墨烯的杨氏模量、剪切模量和泊松比等力学性能参数。在此基础上,构建尺寸从小到大的8个单层石墨烯计算模型,求得各种尺寸下杨氏模量、剪切模量和泊松比等力学性能参数。通过分析这些力学性能参数随着尺寸变化而变化的结果,研究单层石墨烯力学性能的尺寸效应。数值算例表明,在小尺寸下扶手型和锯齿型单层石墨烯力学性能的尺寸效应显著,而随着计算模型尺寸的增大,尺寸效应出现弱化;并且相同尺寸的情况下,扶手型单层石墨烯的杨氏模量和剪切模量总是大于锯齿型的相应量。     

Ca对变形Mg-9Li-2Zn合金显微组织和机械性能的影响

实验熔制了Mg-9%Li-2%Zn(质量分数)合金并研究了添加质量分数为0.1%~0.5%的Ca对合金的影响.合金板材具有良好的冷加工性能,室温下可以轧成2 mm厚的薄板.研究了微量元素Ca对板材显微组织和机械性能的影响.室温下对板材进行拉伸测试,结果表明添加元素Ca能够提高合金的机械性能,当添加质量分数为0.1%的Ca时,板材的抗拉强度和延伸率分别提高了19%和6%,随着Ca含量的增加,强度略有提高而延伸率下降.通过显微观察可知,Ca对显微组织有细化作用,其中含Ca 0.1%时效果最明显.通过分析结果可知Ca在晶界处的吸附致使显微组织细化,进而影响了板材的机械性能.     

石墨片的拉伸形变研究

利用静力学方法研究了受外力作用下锯齿边和扶手边石墨片的形变规律.给出了键角、键长和杂化轨道的s轨道成份和p轨道成份随外力的变化关系.在锯齿型边的石墨片中以外力为对称轴的两个杂化轨道其s轨道成份随外力减小,而与外力共轴的轨道其s轨道成份是增加的.对p轨道来说,以外力为对称轴的px轨道成份大小随外力增加,而与外力共轴的恰减小,py和pz轨道成份不变;扶手型边的结果正好与锯齿型边相反.结果表明：一个较小的外力就能引起石墨片的较大形变,从而能够调控石墨片的带隙.     

Microstructure and mechanical properties of cryorolled AZ31 magnesium alloy sheets with different initial textures

AZ31 magnesium alloy sheets with different strong textures were cryorolled at the liquid-nitrogen temperature to the strain of 4% and 8%. The microstructure and texture of the rolled sheets were investigated via scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffraction (EBSD), and X-ray diffraction (XRD). The mechanical properties of the sheets were tested through in-plane uniaxial tensile tests at ambient temperature. The tensile stress was exerted in the rolling direction (RD) and transverse directions (TD). The microstructural and textural evolutions of the alloy during cryorolling were investigated. Due to active twining during rolling, the initial texture significantly influenced the microstructural and textural evolutions of the rolled sheets. A {1012} extension twin was found as the dominated twin-type in the cryorolled samples. After cryogenic rolling, the ductility of the samples decreased while the strength increased. Twinning also played an important role in explaining the mechanical differences between the rolled samples with different initial textures. The samples were significantly strengthened by the high stored energy accumulated from cryorolling.     

硅团簇拉伸/压缩性能的分子动力学模拟

采用基于Stillinger-Weber(SW)势的分子动力学方法模拟了Si13团簇温度T分别为300K,50 K,5 K下的拉伸/压缩过程,得出了Si13团簇拉伸/压缩的力与应变的曲线图,讨论了不同温度下Si13拉伸/压缩的力学特性以及拉伸与压缩特性的差异。研究表明,拉伸/压缩初始阶段力与应变呈线性关系,拉伸时温度越高受力越大,压缩时正好相反,而且同等应变下拉伸时的力明显高于压缩时的力;当拉伸应变达到承载极限,继续拉伸,力突然变得很小,随后力与应变又呈现出与初始阶段相同的线性关系,这是团簇所特有的现象。     

Preparation of high-strength Al-Mg-Si-Cu-Fe alloy via heat treatment and rolling

An Al-Mg-Si-Cu-Fe alloy was solid-solution treated at 560°C for 3 h and then cooled by water quenching or furnace cooling. The alloy samples which underwent cooling by these two methods were rolled at different temperatures. The microstructure and mechanical properties of the rolled alloys were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction analysis, and tensile testing. For the water-quenched alloys, the peak tensile strength and elongation occurred at a rolling temperature of 180°C. For the furnace-cooled alloys, the tensile strength decreased initially, until the rolling temperature of 420°C, and then increased; the elongation increased consistently with increasing rolling temperature. The effects of grain boundary hardening and dislocation hardening on the mechanical properties of these rolled alloys decreased with increases in rolling temperature. The mechanical properties of the 180°C rolling water-quenched alloy were also improved by the presence of β″ phase. Above 420°C, the effect of solid-solution hardening on the mechanical properties of the rolled alloys increased with increases in rolling temperature.