石墨烯拉伸性能的分子动力学模拟

论文总字数：17115字

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1石墨烯简介 1

1.2石墨烯的国内外研究现状 2

1.3石墨烯的制备方法 2

1.3.1微机械剥离法 2

1.3.2化学气相沉积法 3

1.3.3晶体外延生长法 3

1.3.4氧化还原法 3

1.3.5其他方法 4

1.4 分子动力学方法 5

1.4.1概述 5

1.4.2动力学方程 5

1.4.3初始条件 5

1.4.4边界条件 6

1.4.5系综概念 6

1.4.6势函数 6

第二章 温度对石墨烯拉伸性能的影响 9

2.1 沿X（Zigzag）方向拉伸 9

2.2 沿Y（Armchair）方向拉伸 12

2.3 X（Zigzag）方向与Y（Armchair）方向的各向异性 14

2.4 拉伸过程中原子尺度结构的变化 15

第三章 拉伸速率对石墨烯拉伸性能的影响 18

3.1 沿X（Zigzag）方向拉伸 18

3.2 Y（Armchair）方向拉伸 20

3.3 X（Zigzag）方向与Y（Armchair）方向的各向异性 22

3.4 拉伸过程中原子尺度结构的变化情况 23

第四章 总结 26

参考文献 27

致谢 28

石墨烯拉伸性能的分子动力学模拟

蒋茂盛

,China

Abstract: Graphene is one of the hardest materials found so far, and it is also the thinnest material. It has many excellent properties and is used in many fields. It is one of the hot issues in material research. Many studies are performed by computer simulations and then deduced from simulation results to obtain graphene's mechanical laws. In this paper, at different temperatures and different drawing speeds, the graphene model is tensilely simulated in the X (Zigzag) direction and Y (Armchair) direction, respectively. The simulation results and analysis of the changes in the arrangement structure of the atom during the stretching process are analyzed. The graphene mechanical properties change, fracture mechanism and anisotropy are obtained.

The graphene model was simulated at different temperatures, and the stress-strain curve was plotted according to the results. It was found that as the temperature increases, the breaking strength of single-layer graphene becomes smaller.When the temperature rises, the single-layer graphene anisotropy is less and less affected by temperature. Tensile simulation was carried out at different tensile rates. The stress-strain curve was analyzed and the conclusion was drawn,with the increase of tensile rate, the breaking strength of monolayer graphene increased,the tensile rate increased gradually. At the same time, the tensile properties of monolayer graphene are less and less affected by the stretching rate.

The fracture mechanism of monolayer graphene has also been obtained: the direction of the single-layer graphene fracture is along the Zigzag direction, but when stretching along the Zigzag direction, the fracture direction is at an angle to the stretching direction; when stretching along the Armchair direction,the direction of the fracture is parallel to the stretching direction.

Key word：Graphene；Tensile Properties；Strain rate；Molecular dynamics

第一章 绪论

1.1石墨烯简介

石墨烯是一种二维碳纳米材料，它的碳原子杂化轨道形式是sp²杂化。石墨烯的晶格在外界拉力作用下能保持相对的稳定性，但是另一方面其抗弯强度较低，在较小的外力作用下就会发生弯曲变形。石墨烯是在科学家门研究有限层数石墨时偶然被发现的，2004年，Geim和Novoselov^[1]第一次使用微机械剥离法得到单层石墨烯薄膜，二人也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯具有优异的光学、电学、力学性能，在材料科学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，是一种具有重要意义的材料^[2]。

石墨烯是已知强度最高的材料之一，还具有良好的韧性。因为石墨烯的传导和价带具有相同的狄拉克点，所以它是一种半导体，通过电场作用改变化学势，可以观察到石墨烯中电子载流子和空穴载流子的半整数量子霍尔效应^[5]。已经发现石墨烯有着一种自身固有的波动形态，因此，石墨烯可以稳定存在。在发现石墨烯之前，物理学家们认为在热力学波动期间，有限的温度下不存在任何二维晶体。石墨烯的发现推翻了之前的理论，并证明二维晶体可以独立稳定存在^[3]。但是，石墨烯为了抵抗热涨落，其表面呈现出波纹状，并不是一个稳定的二维平面，用原子力显微镜检测到其波纹的振幅约为1nm^[1]。

其实石墨烯的同素异形体就是我们熟悉的一些材料，经过一定的变形就可得到。例如图1.1，如果改变石墨烯的结构，在其中引入12个五元环，就可形成富勒烯；将单层石墨烯卷曲，以形成碳纳米管；将多个单层石墨烯薄膜堆叠起来，以范德华力连接各层，就形成了普通的石墨；将堆叠的石墨烯糅合可加工形成碳纤维^[4]。

图1.1 石墨烯的同素异形体及其变形

研究者们还发现，将石墨烯与其他材料结合制成石墨烯复合材料，会比原来单种材料有着更为优秀的物理性能。例如，石墨烯聚合物复合材料可以提高其抗拉强度、杨氏模量、高弹模量等力学性能，还能够提高电导率，降低磨损度等；以石墨烯为基础，生产的无机纳米复合材料在催化剂、光学等领域具有很大的潜力。正因为它具有这些特性和研究潜力，石墨烯被誉为革命性的新型纳米材料。但是，由于目前生产石墨烯材料的量化和技术没有完全实现，所以目前石墨烯材料并没有真正应用到日常生活领域。近年来，传统能源消耗引起的环境问题日益突出，石墨烯的研究逐渐提高到国家乃至全世界的研究议程上来。

1.2石墨烯的国内外研究现状

目前对于石墨烯的实验室测试、数值模拟和理论研究已经达到较高水平。石墨烯具有优异电学特性、光学特性、热学特性和力学特性，国内外很多学者都投身于石墨烯研究领域，希望能够发现石墨烯更多的性能。但是因为制备方法的限制，石墨烯中会存在着晶界，而在晶界处应力较为集中。晶界处的抗拉强度较低，在垂直于晶界方向施加拉力时，此处的原子排列结构最先遭到破坏。对于均匀分布位错形成的贯穿晶界，位错密度越大，晶界强度越高；而对于非均匀位错形成的贯穿晶界，其力学性能要低于均匀位错晶界^[3]。韩强等^[6]用分子动力学的方法，对不同层数、不同尺寸石墨烯的拉伸力学性能进行研究，得到X方向（扶手型）和Y方向（锯齿型）的杨氏模量和断裂机理；韩同伟、贺鹏飞等^[7]模拟了单层石墨烯的拉伸形变及断裂行为，他们发现：松弛状态下的二维石墨烯膜的表面不完全平坦，出现了波纹状的皱纹；魏志勇等人采用非平衡分子动力学方法总结了温度对石墨烯纳米带热导率的影响；Matthew Becton等通过对纳米多孔石墨烯进行动力学模拟，测量出使石墨烯薄膜断裂所需的能量^[8]。M.Q.Chen等发现，随着温度的升高，多晶石墨烯的断裂强度降低；随着应变速率的增大，多晶石墨烯的断裂强度增大^[12]。

由于其优良性能，石墨烯被广泛应用在储能、液晶器件制造、电子器件制造等领域。华为公司研究团队率先推出的高温、长寿命石墨烯基锂离子电池不仅耐高温，而且具有普通锂离子电池两倍的使用寿命；Zhuo等^[5]将混合材料与活性碳进行组合组装，成功制成了非对称超级电容；Longun^[5]等利用动态力学，分析测量了石墨烯-聚酰亚胺复合材料的高弹模量，当材料中石墨烯含量为28.08vol%时，复合材料橡胶高弹区域的模量比不掺加石墨烯时增加了4000倍；杨帅等^[5]制备了少层石墨烯和纳米级铜粉的复合体，对得到的样品的压缩性能进行测试，结果发现其屈服强度高达476MPa；Goyal等^[5]通过对石墨烯热学性能的分析，制备了增强型金属微纳米复合材料，其中含有5vol%的石墨烯。

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