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     

石墨烯拉伸力学性能温度相关性的数值模拟

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热力学温度下(0～3 000 K)的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,预测了石墨烯薄膜拉伸力学性能对温度的依赖性,并比较了不同温度条件下相同几何尺寸的扶手椅型和锯齿型单层石墨烯薄膜拉伸力学性能的差异.结果表明:石墨烯薄膜的拉伸力学性能和变形机制对温度有强烈的依赖性,2种不同手性的单层石墨烯薄膜的杨氏模量、抗拉强度、拉伸极限应变均随温度的升高而显著减小.石墨烯薄膜力学性能的各向异性也受温度的影响,当温度低于600 K时,扶手椅型石墨烯薄膜的力学性能优于锯齿型的;但当温度超过600 K时,特别是高温时,扶手椅型薄膜的力学性能的优势逐渐减弱,甚至低于锯齿型的.     

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.     

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.     

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.     

不同温度下的乙烯-三氟氯乙烯共聚物薄膜单轴拉伸试验

对厚度为250μm的乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)薄膜进行了单轴拉伸试验,考虑了不同的低-高温度(分别为-50、-40、-30、-20、-10、0、10、20、30、40、50、60、70及80℃)效应,试件截取方向为机器方向.得到了ECTFE薄膜在不同温度下的拉伸应力-应变曲线,通过分析得到了弹性模量、屈服强度、屈服应变、冷拉应力、抗拉强度、断裂延伸率等力学参数及其随温度的变化规律.结果表明:随着温度的降低,应力-应变曲线整体向上抬升,屈服强度、拉伸强度、冷拉应力和弹性模量均增大,断裂延伸率和韧性均减小.在不同温度(-50～80℃)下,弹性模量的差值可达到93%,屈服强度的差值可达到89%,温度变化对ECTFE薄膜力学性能的影响显著.得出了主要力学参数和温度变化的拟合公式,可用于判断ECTFE薄膜在不同温度下的力学性能.     

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.     

硅功能化石墨烯负极材料的最优化初始构形

硅功能化石墨烯作为锂离子电池的阴极材料,其最优化的初始构形会提高电池的可逆容量、充放电速率和使用寿命.文中应用分子动力学方法,采用Tersoff势函数与LJ势函数,结合速度形式的Verlet算法,对硅功能化石墨烯进行了弛豫和拉伸等力学性能模拟,提出了材料最优化的构形.通过对不同硅原子分布、不同硅碳比、不同空位缺陷率、不同拉伸速度和不同温度对材料的体积、势能、弹性模量、拉伸应变、强度等性能的影响进行了模拟.研究表明,硅原子随机分布时的系统势能最大,体积变化介于横向分布和交叉分布之间,模型的力学性能参数也最高;硅原子数目越多,模型表面褶皱越明显,系统的势能越低,体积也越大;当硅碳比为3.28%时,力学性能参数最大;空位缺陷率越大,模型系统势能越高,体积越大;当缺陷率为1%时,材料的力学性能参数最高;力学性能参数随着拉伸速率和拉伸温度的变大而减小;当速率为0.5 nm·s~(-1),温度为300 K时,材料的力学性能最好.     

温度变化对微梁谐振频率的影响

双层材料微梁是一种常见的高灵敏度微梁传感结构,温度变化会使微梁发生弯曲形变并改变微梁的谐振频率．研究了微梁谐振频率与其构成材料的杨氏模量E和热膨胀系数a的关系、以氮化硅上沉积了不同厚度金膜的双层微梁结构为对象,通过在原子力显微镜AFM上的实验获得了295～325K范围内微梁的弯曲形变和谐振频率分别与温度变化的关系曲线．对实验结果的分析表明,构成微梁两种材料热膨胀系数的差异会引起微梁的非线性形变和谐振频率的非线性偏移,且主要在温度变化范围小于5K时起作用;在295～325K时两种材料杨氏模量随温度的变化会引起微梁谐振频率的线性偏移．同时,提出了相应的微梁应用建议,以保证在环境温度有变化的应用场合下双层材料微梁仍具有较高的测量精度.     

硒化镉纳米线弹性性能的分子动力学模拟

采用分子动力学方法对硒化镉纳米线的弹性性能进行模拟,系统地研究了不同大小的硒化镉纳米线的弹性性质,得出其杨氏模量及泊松比与半径的变化关系．计算结果表明：在材料的弹性范围内,硒化镉纳米线的杨氏模量和泊松比均随着半径的增大而减小,且纳米线的杨氏模量比块体的大很多;纳米线横截面原子键长分布情况表明这种关系是由纳米体系表面效应随着体系的变小而增大这一性质决定的．     

基体温度对磁控溅射TiN薄膜结构与力学性能的影响

采用直流反应磁控溅射方法在304不锈钢表面沉积TiN薄膜.利用场发射扫描电镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪研究基体温度对TiN薄膜结构与性能的影响.结果表明:TiN薄膜为柱状结构,表面平整、致密.薄膜为面心立方结构(fcc)TiN并存在择优取向,室温和150℃时薄膜为(111)晶面择优取向,300和450℃时薄膜为(200)晶面择优取向;室温时薄膜厚度仅为0.63μm,加温到150℃后膜厚增加到1μm左右,但继续加温对膜厚影响不明显;平均晶粒尺寸随着基体温度的升高略有上升;薄膜的硬度、弹性模量和韧性(H3/E*2)随基体温度的升高而增加,最值分别达到25.4,289.4和0.1744GPa.     

各向同性煤沥青制备炭/石墨纤维的研究

以各向同性煤沥青为原料,采用熔融纺丝工艺制备了直径为55μm的沥青纤维,经预氧化、炭化和石墨化处理后得到炭纤维和石墨纤维,并采用偏光显微镜、XRD和SEM等对其形貌、结构和性能进行表征。结果表明,炭/石墨纤维具有与沥青原料相似的各向同性光学结构;随热处理温度升高,炭/石墨纤维截面逐渐变粗糙,且内部石墨微晶逐步发育并长大,3 000℃下石墨化纤维微晶增大较明显,其堆积高度和平面尺寸分别约为5nm和11nm;1 600℃炭化纤维的力学性能较好,其拉伸强度和杨氏模量分别达到0.57GPa和32.19GPa,进一步提高热处理温度,纤维拉伸强度逐步降低,但是其杨氏模量逐渐增加,3 000℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为0.26GPa和40.57GPa;炭/石墨纤维室温轴向电阻率随热处理温度的升高而降低,1 000℃炭化纤维室温轴向电阻率为47.78μΩ.m,3 000℃石墨化纤维室温轴向电阻率降至21.98μΩ.m。     

石墨烯增强MC尼龙复合材料的力学和摩擦学性能

采用原位聚合法制备了石墨烯/MC尼龙(MCPA)复合材料。使用X射线衍射仪(XRD)和傅立叶红外光谱仪(FT-IR)对石墨烯的结构进行表征,研究了石墨烯含量对复合材料的力学和摩擦学性能的影响。研究结果表明,添加0.05%的石墨烯可以使MC尼龙复合材料的拉伸强度、弹性模量、弯曲强度和弯曲模量分别提高了17.4%,14.7%,17.5%,24.3%;在干摩擦条件下,将石墨烯添加到MC尼龙中,能显著降低复合材料的磨损量,但复合材料的摩擦系数变化不明显;随着石墨烯含量的增加,石墨烯/MC尼龙复合材料的磨损机理由粘着磨损转变成疲劳磨损。     

二维石墨烯制备方法研究进展

石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体,是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。石墨烯因具有独特的结构和优异的性能,吸引了不同领域科学家的关注,极具应用前景。对近几年石墨烯的主要制备方法进行了综述,对比了不同制备方法的优缺点,同时分析了石墨烯制备方法的发展趋势。     

RE2Ti3Si4(RE=Gd,Tb,Dy,Ho和Er)物理性质的第一性原理研究

【目的】对RE2Ti3Si4(RE=Gd,Tb,Dy,Ho和Er)的物理性能进行研究。【方法】利用基于密度泛函的第一性原理方法对RE2Ti3Si4(RE=Gd,Tb,Dy,Ho和Er)的结构性质、电子结构、力学以及热力学性质进行计算。对RE2Ti3Si4单晶的弹性常数,多晶的体积模量、剪切模量和杨氏模量都进行了计算。利用准谐的德拜模型计算获得了体积模量、比热熔和热膨胀系数随着温度和压强的变化,并进行了相关的讨论。【结果】RE2Ti3Si4的晶格常数计算值和实验值吻合较好。【结论】形成焓的计算值随着稀土元素原子序数的增加而呈现微小的下降趋势,这表明化合物的稳定性随着原子序数的增加而加强。电子态密度显示在费米能级之下,Ti-3d和RE-5d的态密度有着很强的杂化现象。