重离子辐照下石墨烯力学性能的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了不同剂量的碳离子辐照石墨烯产生损伤后对其拉伸力学性能的影响, 包括应力?应变曲线、杨氏模量以及拉伸强度等。入射离子能量为1 keV, 入射剂量分别为2.00×10¹³, 6.01×10¹³, 1.00×10¹⁴ and 2.00×10¹⁴cm^-2。结果表明, 离子辐照后产生了单空位缺陷、双空位缺陷及复杂缺陷等, 这些缺陷对石墨烯的力学性能产生了显著影响, 如剂量为2.00×10¹³cm^-2时, 石墨烯中只存在两个单空位缺陷, 但与完美石墨烯相比, 杨氏模量却从780.19 GPa减小到128.77 GPa, 拉伸强度也从161.81 GPa变为30.85 GPa, 并且缺陷个数越多, 力学性能越差。另外, 对辐照导致样品变形以及断裂的物理机制也进行了讨论。     

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.     

基于分子动力学模拟的含缺陷石墨烯力学性能的研究

基于分子动力学模拟的方法,研究了空位缺陷的位置、形状以及原子缺失率对石墨烯杨氏模量的影响。研究结果表明,单空位缺陷的位置对石墨烯杨氏模量有一定的影响,当施加应力方向与边缘缺陷的截面方向相同时,边缘缺陷比中间缺陷使得石墨烯的杨氏模量下降更少。研究结果还发现,映射横向长条状缺陷、映射纵向长条状缺陷、映射圆孔状缺陷和随机缺陷都使得石墨烯杨氏模量随着原子缺失率的增大而减小。对于映射圆孔状缺陷和随机缺陷,锯齿型石墨烯杨氏模量减小的幅度与扶手型的减小幅度相差不大。对于映射横向长条状缺陷和映射纵向长条状缺陷,锯齿型和扶手型石墨烯杨氏模量的减小幅度相差较大,这与石墨烯的手性矢量方向和条状缺陷方向是否一致有关。     

He离子辐照金属钨引入缺陷的微结构研究

采用能量为100keV的He离子在室温下辐照金属钨,辐照注量范围为1.4×1017-3.5×1017/cm2,辐照后对样品进行了1100℃退火处理.利用X射线衍射、慢正电子多普勒展宽和扫描电镜技术研究了钨中He离子辐照引入的缺陷和注量之间的关系.研究结果表明辐照并退火后材料内部晶面间距增大,空位型缺陷浓度或尺寸随辐照注量的升高而增大,而高注量辐照的样品表面晶粒间连接疏松并存在孔隙,钨表层可能生成了大尺寸的He空位复合体或He泡.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

基于分子动力学模拟的锆辐照损伤及拉伸力学行为研究

本文采用分子动力学方法模拟了不同初级离位原子(PKA)能量下单晶α锆的辐照损伤动态过程,以及辐照后的缺陷模型在沿[0001]单轴拉伸下的力学性能及微观结构演变。结果表明,随着PKA能量的增加,α锆晶体中辐照产生的Frenkel缺陷对数目稳步增加;单轴拉伸模拟结果显示,辐照产生的Frenkel缺陷对会显著降低单晶α锆的屈服强度,且随着PKA能量的增大,辐照材料的屈服强度呈缓慢逐渐下降的趋势;结合拉伸形变过程的微观结构演化可知,辐射产生的缺陷为位错环提供了成核位置,在较低的应变下即产生了大量位错,导致辐照后α锆的屈服强度大幅降低。     

不饱和树脂/石墨烯复合材料的制备及性能

采用球磨法制备不饱和聚酯树脂/石墨烯纳米复合材料,并对其力学性能、动态力学性能和导电性能进行研究.结果表明:石墨烯微片经过球磨被剥离成厚度低于5层的石墨烯;制备的不饱和聚酯树脂石墨烯复合材料与纯的不饱和聚酯树脂相比,当石墨烯的质量分数为0.5%时,复合材料的拉伸强度、杨氏模量、弯曲强度均达到最大值,分别提高44.99%,47.67%和55.08%;复合材料的冲击性能基本不受石墨烯加入的影响;且复合材料的渗滤阀值为6%.     

硅二极菅脉冲中子辐照效应的研究

对加固Ｐ＋ｎｎ＋高压整流二极营进行了脉冲中子辐照和热中子辐照。ＤＬＴＳ测量表明，脉冲中子辐照（Φｎ＝８．６×１０１３ｎ／ｃｍ２）在硅中引入的缺陷主要是双空位Ｅ４和Ｅ３缺陷，氧空位和双空位缺陷强度很低。氧空位密度的降低可归因于辐照缺陷的衰减和再构。脉冲中子辐照引起Ｆｒｅｎｋｅｌ对成份的增加，增加的空位密度致使复杂络合物，例如（Ｏ十Ｖ２）或（Ｏ十Ｖ３）缺陷的有效产生。实验结果还表明，该类器件具有良好的耐辐照特性。文中还对退火特性进行了讨论。退火使氧空位和双空位Ｅ２增加，这可能是Ｖ２Ｏ、Ｖ３Ｏ分解所致。     

静电纺丝法制备聚己内酯/石墨烯复合材料纳米纤维

利用静电纺丝方法制备了聚己内酯(PCL)/石墨烯复合纳米纤维,对电纺纳米纤维的表面微观形貌、热性能和力学性能等进行了表征,并研究了石墨烯的加入量、PCL浓度、电纺电压、接收距离等参数对复合纤维性能的影响.研究结果表明:当加入石墨烯质量分数为0.27%时,得到的电纺纳米纤维的力学性能提高最大,拉伸强度增加48.6%,杨氏模量增加66.0%;当PCL质量分数为11%,电纺电压为28kV,接收距离为35cm,电纺液流速为6mL/h时,电纺过程稳定,可以得到直径均匀的纳米纤维.     

羧基离子注入石墨烯的血液相容性研究

为解决石墨烯不亲水、不亲脂、难于在溶剂中稳定分散的缺陷,运用了离子注入的方法,分别将剂量为1×1017、5×1017和1×1018 ions/cm2的羧基离子(COOH+)注入到石墨烯表面.利用X线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和水接触角(CA)分析证明注入可引入含氧官能团,如C—O、O—C=O等;并显著提高了材料的含氧量,从而使石墨烯表现出优异的亲水性,这可能是生物相容性改善的主要原因.血小板黏附实验、溶血实验和与红细胞相互作用实验表明:羧基离子注入后,石墨烯的溶血率降低,注入几乎没有对红细胞产生破坏,且显著抑制了血小板的黏附、聚集和活化.研究结果表明羧基离子的注入可显著提高石墨烯的血液相容性.     

质子辐照对2Cr13不锈钢的作用机理研究

该研究以航天机构常用材料2Cr13不锈钢为对象,在980℃油冷淬火后与600℃和700℃回火的两种热处理工艺以及在2×1014质子/cm2、2×1015质子/cm2、2×1016质子/cm2三种累积注量的条件下,开展了质子辐照试验研究。分析了2Cr13不锈钢经不同累积注量质子辐照后,材料的微观组织结构、表面硬度、力学性能、拉伸断口附近的变形行为。用纳米机械试验仪测试了经质子辐照后的摩擦系数以及纳米划痕相貌特征及其摩擦学特性。在该试验研究中发现,对于相同质子辐照条件下的2Cr13不锈钢,其表面硬度和摩擦系数的变化与热处理的回火温度关系甚大,在较高温度回火时表面硬度的降低和摩擦系数的的变化均比较低温度回火时表现的明显,这可能是由于在较高的温度下回火,使动态回复再结晶过程的晶粒尺寸变大有关。这个试验结果对航天机构的制造加工具有重要的指导意义,即通过控制合理的热处理制度,可以使航天机构的材料获得更好的综合性能,有利于改善和提高航天机构的可靠性和寿命。     

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.     

电子辐照前后的n型6H-SiC低温正电子捕获的研究

在20～300K低温范围内,通过对电子辐照前后n型6H SiC正电子湮灭寿命谱的测量,揭示了不同空位型缺陷之间的正电子捕获的竞争.建立了一种用于解释正电子寿命谱测量结果的模型,该模型中费米能级位置的改变可影响缺陷的电离以及正电子在缺陷位置的被捕获.根据模型拟合正电子寿命谱数据后得到:在原生的SiC中,正电子最可能被碳空位和碳的双空位所捕获,经估算其浓度分别为1.1×1017cm-3和3.0×1016cm-3;在辐照后的SiC中,正电子最可能被碳的双空位,硅空位或硅空位的杂合态所捕获,经估算其浓度分别为9.8×1016cm-3和5.4×1016cm-3.     

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。     

离子注入法对链球菌代谢产物透明质酸的影响分析

选用一株ATCC 700400马链球菌亚种,通过离子注入法对链球菌代谢产物透明质酸的影响来找寻透明质酸低耗高产的可能和路径。注入离子选用N+,注入能量分别为15 ke V和20 ke V,范围是0(对照)、(20×1014~100×1014N+/cm2(不同氮离子注入参数以对比)。透明质酸测定选用CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)比浊法,通过对比来筛选HA高产型链球菌。结果表明,在注入能量为20 ke V,剂量为20×1014N+/cm2时,产出透明质酸浓度明显高于其他菌株,诱变效果最好,为今后进一步诱变筛选及发酵条件优化奠定了良好的基础。     

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.