由碳原子以六角型蜂窩晶格結(jié)構(gòu)組成的單原子厚度的二維碳納米材料—石墨烯,憑借其優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用前景,成為多年來科研工作者們的研究重點。目前的化學(xué)氣相沉積法和氧化石墨還原法是產(chǎn)業(yè)化制備大尺寸石墨烯薄膜的最佳方法,然而,通過上述兩種手段制備出的石墨烯不可避免地會產(chǎn)生不同程度的碳原子缺失、晶界等晶體結(jié)構(gòu)缺陷,進而影響本身性能,但關(guān)于巧用缺陷來調(diào)節(jié)其力學(xué)性能的研究卻鮮有報道。因此,本文以分子動力學(xué)模擬為主要手段,并結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論和相關(guān)實驗,首先研究了缺陷對于石墨烯力學(xué)性能的影響,繼而詳述利用缺陷來調(diào)控石墨烯的力學(xué)性能,主要研究內(nèi)容如下:（1）采用分子動力學(xué)模擬研究拉伸狀態(tài)下單層開孔石墨烯的裂紋擴展角與手性的關(guān)系,后以扶手椅型開孔石墨烯為例,進一步分析其孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象,并與彈性理論結(jié)果進行對比。隨著手性角度的增加,石墨烯所對應(yīng)的裂紋擴展角的變化趨勢呈現(xiàn)出“N”字型。在扶手椅型開孔石墨烯中,與孔口距離越遠的斷裂處原子所受的極限拉應(yīng)力越小,并最終趨于穩(wěn)定值（42 GPa）,該模擬結(jié)果不僅與理論結(jié)果相吻合,同時也驗證了結(jié)論的準確性和模擬過程的嚴謹性。（2）提出一種通過調(diào)控缺陷來改善二維材料... 

【文章來源】：江南大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

碳納米材料的結(jié)構(gòu)示意圖

江南大學(xué)碩士學(xué)位論文2圖1-2三層石墨烯的堆疊結(jié)構(gòu)示意圖[87]在性能方面，石墨烯近乎完美的主要性能指標如下所示：力學(xué)性質(zhì)[18-20]：以超�。�0.34nm）特性著稱的石墨烯薄片是有史以來強度最高的材料之一，其拉伸強度約為125GPa，理論彈性模量可達1.0TPa。當(dāng)受到外力作用時，石墨烯的超韌性會導(dǎo)致自身發(fā)生離面彎曲變形[21]，以此抵消外載荷的作用，同時由于石墨烯中C-C共價鍵的穩(wěn)定存在，使得內(nèi)部碳原子不足以發(fā)生位移，由此確保了其晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。熱學(xué)性質(zhì)[22-24]：相較于室溫下純金剛石的熱導(dǎo)率[25]，通過光學(xué)非接觸技術(shù)所測得的單層純石墨烯薄片的熱導(dǎo)率[26]是金剛石的3倍之多，甚至高于碳納米管[27]，一躍成為導(dǎo)熱性能最優(yōu)越的納米材料。電學(xué)性質(zhì)[28-30]：π電子高速自由運動的速度以及在純石墨烯中微弱的傳輸阻力，使得石墨烯具有超強的導(dǎo)電能力。同時，得益于石墨烯穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，其中室溫下的載流子在軌道中移動傳輸時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生背散射，此現(xiàn)象稱之為石墨烯的量子霍爾效應(yīng)[31]。1.2含缺陷石墨烯的研究現(xiàn)狀如今，為實現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)，各類人工制備法應(yīng)運而生，例如，外延生長法[32-35]、氧化還原法[36-38]和化學(xué)氣相沉積法[39-44]等等。然而，人工合成石墨烯的手段都存在諸多水平限制，以致高質(zhì)量的石墨烯仍存在于理想條件下，其中石墨烯品質(zhì)的不可控性則無可避免，即人工合成的石墨烯大多含有裂紋[45-49]、空位[50-53]以及晶界[54-58]等缺陷。晶格缺陷的存在和形成位置的隨機性對材料的不利影響主要體現(xiàn)在導(dǎo)熱性[59-61]、導(dǎo)電性[62-64]和機械力學(xué)性能[65-67]等方面，例如，三角缺陷的存在會大幅降低石墨烯的傳熱性能[68]；位錯[69-70]和拓撲缺陷[71-73]都會降低材料的拉伸強度，影響本身?

第一章緒論3圖1-3300K溫度下多晶石墨烯帶的晶格結(jié)構(gòu)輪廓及其拉伸斷裂模式圖[74]2014年，西安交通大學(xué)的Liu等人[75]研究了納米多孔石墨烯在納米孔尺寸、形狀和密度等不同情況下的力學(xué)特性，他們發(fā)現(xiàn)材料的抗拉強度隨著納米孔尺寸和孔隙度的增加而不斷減小，這符合一般的固有認知。然而，有效彈性模量僅由納米孔的孔隙率決定，并且強度也僅與同一類型納米孔的孔隙率相關(guān)。相反，對于小孔隙度和中等孔隙度的多孔石墨烯而言，其斷裂應(yīng)變則隨著孔隙度的增大而增大。同年，西安交通大學(xué)的Sha等人[76]通過分子動力學(xué)模擬探究了預(yù)置圓缺口對于大尺寸多晶石墨烯的拉伸強度和斷裂模式的影響。結(jié)果顯示，多晶石墨烯的失效模式并不依賴于缺口位置，而取決于應(yīng)力集中的重疊度，即缺口直徑與平均晶粒尺寸的關(guān)系。圖1-4多晶石墨烯的裂紋擴展云圖[76]相較于氣相沉積法，氧化石墨還原法不僅制法簡單，而且經(jīng)濟成本低廉，但同時所制得的石墨烯卻存在諸多不同類型的缺陷。2017年，多倫多大學(xué)的Dewapriya等人[77]采用分子動力學(xué)模擬探討了石墨烯邊緣裂紋和空穴之間的相互作用。研究表明，在裂紋尖端附近施加不同形狀、位置和方向的原子級空位缺陷可以有效地調(diào)控石墨烯中預(yù)置裂紋的尖端應(yīng)力場，并且裂紋與空穴的相互作用也可令石墨烯的斷裂應(yīng)力顯著增強。此外，該研究也表明了裂紋尖端附近的孔洞缺陷會造成多裂紋擴展，而擴展的裂紋甚至可以在極高的拉伸應(yīng)力水平下完全愈合。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]還原劑氣相反應(yīng)和液相反應(yīng)制備石墨烯的比較研究（英文）[J]. 常云珍,韓高義,肖堯明,周海涵,董建華.  新型炭材料. 2017(01)



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