【摘要】：石墨烯氣凝膠是一種石墨烯三維宏觀結(jié)構(gòu),具有高孔隙率、超低密度、優(yōu)異的力學(xué)和導(dǎo)電性能,在吸附、催化、儲(chǔ)能和電化學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著制備技術(shù)的發(fā)展,石墨烯氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)可控制備成為可能,不同的微觀結(jié)構(gòu)具有不同的力學(xué)性能。揭示石墨烯氣凝膠的變形機(jī)制和力學(xué)性能對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系對(duì)石墨烯氣凝膠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。本論文提出了石墨烯及其集合體的粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)方法,構(gòu)建了具有蜂窩結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠的分析模型,研究了壓縮、剪切和沖擊力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)變形機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容如下。(1)基于Tersoff勢(shì)函數(shù),提出了石墨烯的粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)方法。通過(guò)與全原子模擬的結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了方法的有效性。采用一個(gè)粗粒代替四個(gè)原子,粗粒間的成鍵相互作用采用Tersoff勢(shì)函數(shù)形式的粗�；瘎�(shì)函數(shù)表示、非成鍵相互作用采用Lennard-Jones勢(shì)函數(shù)表示,對(duì)單層、多層石墨烯的拉伸及彎曲行為、石墨烯的層間剪切響應(yīng)進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)方法計(jì)算準(zhǔn)確、有效減少了計(jì)算時(shí)間。(2)建立了雙層蜂窩結(jié)構(gòu)交錯(cuò)排布的石墨烯氣凝膠的粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)模型,模擬了石墨烯氣凝膠的準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮行為。分析了壓縮及壓縮-恢復(fù)過(guò)程中氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,研究了氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程,以及石墨烯層數(shù)、尺寸和蜂窩結(jié)構(gòu)的排布方式對(duì)氣凝膠壓縮行為的影響。分析了石墨烯氣凝膠的泊松比在壓縮過(guò)程中的變化規(guī)律,描述了負(fù)泊松比現(xiàn)象。(3)采用粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)方法模擬了蜂窩結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠的準(zhǔn)靜態(tài)剪切行為。分析了單層石墨烯氣凝膠在蜂窩面內(nèi)和面外的剪切破壞變形及剪切-恢復(fù)過(guò)程,討論了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)氣凝膠蜂窩面內(nèi)和面外剪切行為的影響。(4)建立了石墨烯氣凝膠在蜂窩結(jié)構(gòu)面外和面內(nèi)受沖擊載荷的力學(xué)分析模型,采用粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)方法模擬了石墨烯氣凝膠的沖擊行為。計(jì)算了在沖擊過(guò)程中氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)變形,分析了不同沖擊能量下氣凝膠的接觸力及能量耗散規(guī)律。
【圖文】：

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家康斯坦丁·諾沃肖洛夫（v）和安德烈·杰姆(Andre Geim)首次利用機(jī)械剝離法從石墨中翻了“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”獲得 2010 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[1墨形態(tài)之母，它可以包裹成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納的石墨[2]，如圖 1-1 所示，它的發(fā)現(xiàn)加深了人們對(duì)碳素材料的一種新型的納米材料，具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能以及哥倫比亞大學(xué)的研究人員對(duì)石墨烯的強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)實(shí)能制作出厚度相當(dāng)于塑料包裝袋（厚度約 100nm）的石墨烯，0000N 的壓力才能將其扯斷[3]。近年來(lái)，，大規(guī)模石墨烯的成功強(qiáng)復(fù)合材料得到了很好的發(fā)展[4,5]，石墨烯纖維[6]、石墨烯紙[7]等石墨烯集合體的問(wèn)世進(jìn)一步展示了石墨烯在納米科技領(lǐng)域新型的石墨烯集合體能夠有效地將石墨烯的優(yōu)異性能從納米尺，為高性能、多功能新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用提供了新的思

蜂窩結(jié)構(gòu)[81]，石墨烯任意排布結(jié)構(gòu)[32]，如圖1-2 所示。很多學(xué)者對(duì)石墨烯三維結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。Nieto 等[101]通過(guò)在掃描顯微鏡內(nèi)對(duì)獨(dú)立 3D 石墨烯泡沫進(jìn)行原位拉伸測(cè)試，研究了內(nèi)在變形機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯束的平行排列使其可以承受沿石墨烯面內(nèi)方向高強(qiáng)度的力，使石墨烯泡沫在拉伸過(guò)程中有很高的彈性模量。他們還用納米壓痕方法研究了壓縮、石墨烯束彎曲及石墨烯束的壁彈性凹陷的變形機(jī)理。Baimova 等[102]用全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，由褶皺石墨烯構(gòu)成的石墨烯塊體材料在室溫下承受靜水壓縮時(shí)具有極強(qiáng)的抗金剛石化特性，而嚴(yán)重的塑性剪切變
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ427.26;TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 周佳驥;宋文波;劉宏馬;;石墨烯——未來(lái)材料之星[J];物理與工程;2011年02期

本文編號(hào)：2679676