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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

基于有限元分析的石墨烯弹性性能和振动特性

为了研究石墨烯的弹性性能和振动特性,采用集中质量单元代替碳原子、矩形梁单元来模拟碳-碳共价键,建立了石墨烯框架结构连续介质模型,并利用有限元方法对模型进行分析.结果表明:弹性性能与手性相关,扶手椅型石墨烯的弹性性能优于锯齿型;随着尺寸的增大,石墨烯逐渐表现出各向同性,其杨氏模量、剪切模量和泊松比分别趋于1.03 TPa,440 GPa和0.175.振动特性不依赖于手性,2种手性石墨烯的固有频率和振型基本一致;固有频率随尺寸的增大而减小,而对应的振型则保持不变;边界条件对固有频率和振型有很大影响,边界的约束越多得到的固有频率越大,且不同边界条件的石墨烯具有完全不同的振型.     

手性石墨烯薄膜拉伸力学性能分子动力学研究

基于分子动力学方法,用Tersoff势函数描述碳原子性质,研究了手性取向对石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响。通过构建不同手性的石墨烯薄膜模型,在周期性边界条件下采用NVT系综,以变形方式分别对不同手性的石墨烯薄膜施加均匀应变,模拟了拉伸变形条件下手性石墨烯薄膜的破坏过程,得到了相应的应力-应变关系以及拉伸破坏形态。结果表明,不同的手性取向对石墨烯薄膜的杨氏模量影响不明显,拉伸强度随着手性角度的增大先迅速减小再逐渐增大,其拉伸极限应变随着手性角度的增大整体呈减小趋势。     

张应力对石墨烯能量带隙的影响

在不考虑电子与电子之间相互作用的情况下,采用紧束缚近似和线性弹性理论解析计算石墨烯在张应力作用下的能量色散.计算结果表明:沿锯齿方向的张应力能使石墨烯产生能量带隙,这个带隙是临界的,需要超过24.5％的临界变形;沿扶手椅方向的张应力不能使石墨烯产生能量带隙;石墨烯能量带隙的获得是处在第一布里渊区的两个非等价的狄拉克点合并的结果;当应变沿扶手椅方向时,2个非等价的狄拉克点随着应变的增大向相反的方向移动不会合并,而当应变沿锯齿方向时;2个非等价的狄拉克点随应变增大彼此接近,最终合并.     

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。     

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.     

局部扭转形变下典型armchair型石墨烯纳米带的力电特性

将密度泛函理论与非平衡格林函数方法相结合,选取了宽度为11根碳原子链、边缘H钝化的armchair型石墨烯纳米带为模型,系统研究了局部扭转形变对石墨烯纳米带力电特性的影响.结果表明,随着扭转角度的增加,armchair型石墨烯纳米带的结构依次经历了弹性形变、塑性形变直至完全断裂.局部扭转形变对armchair型石墨烯纳米带的力电特性有显著影响,表现出了依赖于形变过程的输运谱和伏安特性.     

数字图像相关的不锈钢真实应力应变关系测量

工程上广泛应用的名义应力应变曲线,在材料发生大变形时,由于应力和应变不再沿着试件均匀分布,因而不能真实反映材料在塑性阶段的本构关系。在不锈钢标准板的拉伸试验中连续采集试件散斑表面的数字图像,采用数字图像相关技术对序列数字图像进行相关运算以获得其每个变形状态下的变形场,得到了整个拉伸过程中试件的变形形态。以光学虚拟引伸计的方法分别测量横向和竖向的实时应变数据,结合体积不变理论计算得到真实应力应变曲线。采用Johnson-Cook材料模型对真实应力应变曲线进行拟合,得到了塑性本构关系;最后根据以上实验结果和真实应力应变曲线获取了材料的力学特性参数。实验结果表明了基于数字图像相关方法对不锈钢真实应力应变关系测量的有效性和可靠性,对实验结果的真实应力应变曲线后处理,获得不锈钢材料的弹性模量为169 GPa,屈服强度为236.8 MPa,并获得了Johnson-Cook简化模型的所有三个参数A、B和n的数值。     

ZnS类石墨烯热膨胀系数、弹性模量以及有效电荷变化规律研究

考虑到形变和原子的非简谐振动,用固体物理方法,研究了ZnS类石墨烯的热膨胀系数和弹性模量随温度的变化规律以及有效电荷和极性与形变的关系,探讨了形变和原子非简谐振动对它们的影响.结果表明:①ZnS类石墨烯的热膨胀系数为负值,数值在1.178×10~(-3)～22.323×10~(-3)K~(-1)之间随着温度升高而增大;而弹性模量在0.241 405～453.253 5 GPa之间随着温度的升高而增大.②简谐近似下,热膨胀系数为零,弹性模量为常量;考虑非简谐项后它们才随温度升高而变化,温度愈高,非简谐效应愈显著.③大小形变、剪切形变、单轴形变这3种形变中,大小形变对正有效电荷、单轴形变对负有效电荷影响最大,剪切形变对正、负有效电荷影响最小;④大小形变对极性的影响可达到70.4%,而剪切形变的影响仅为46.5%.     

冻融循环后大理岩单轴压缩破坏特性及规律研究

为研究大冶铁矿高边坡广泛分布的大理岩在冻融循环后单轴压缩破坏特性及规律,对岩样进行不同冻融次数和不同冻融温度下的冻融试验后,再进行单轴压缩试验。对比分析其单轴压缩应力-应变曲线及破裂面宏观形态,结果表明:经历冻融循环后的大理岩岩样,随冻融次数的增加和冻融温度的降低,岩样内部损伤趋重,弹性变形减弱而塑性增强;破裂面由张破裂向剪破裂转变,由多断面破裂转变为单一断面破裂;破坏模式由轴向劈裂拉伸破坏模式向轴向拉剪破坏模式逐渐过渡。     

纳米单晶铜板单向拉伸/压缩的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟纳米单晶铜板的拉伸／压缩变形过程，得到了纳米单晶铜板在单向拉伸／压缩状态下的应力应变关系曲线和垂直于拉伸／压缩方向的泊松比．结果表明，纳米单晶铜板在单向拉伸／压缩状态下的弹性极限应变分别约为0．08和-0．03。在此范围内应力应变关系基本上表现为线弹性；垂直于拉伸／压缩方向的两个泊松比取值于0．3～0．4之间，但是不同方向上的泊松比数值不同，表现出由尺寸效应引起的材料力学行为的各向异性．