石墨烯是單原子層厚度的新型二維納米碳材料,自2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就一直得到科研工作者的廣泛關(guān)注。石墨烯具有卓越的力學(xué),熱學(xué),磁學(xué)和電學(xué)性能,被譽(yù)為新一代戰(zhàn)略材料,在高性能納米電子器件,復(fù)合材料,能量?jī)?chǔ)存,氣體傳感器,場(chǎng)發(fā)射材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái),傳統(tǒng)的剪紙/折紙技術(shù)被引入納觀領(lǐng)域,實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬表明,剪紙技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單、有效、可控的方法可以有效地大幅度提高石墨烯的延展性,特定的剪紙結(jié)構(gòu)還會(huì)使石墨烯出現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng),從而為有效調(diào)控石墨烯等二維納米材料的性能,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種新的解決方案。本課題通過(guò)引入矩形和菱形穿孔圖案構(gòu)建了兩種石墨烯剪紙模型,使用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了石墨烯剪紙?jiān)趩屋S拉伸和剪切變形下的力學(xué)性能和變形破壞機(jī)制,著重研究了縱橫比和參數(shù)S等穿孔尺寸參數(shù)對(duì)石墨烯剪紙力學(xué)性能的影響規(guī)律,并分析了其內(nèi)在的調(diào)控機(jī)理。主要的研究工作如下:（1）研究了矩形和菱形穿孔石墨烯剪紙的拉伸力學(xué)性能以及穿孔尺寸參數(shù)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,矩形和菱形穿孔大大降低了石墨烯的極限應(yīng)力和楊氏模量,通過(guò)調(diào)控穿孔縱橫比和參數(shù)S,可以有效地調(diào)控石墨烯剪紙的力學(xué)性能。當(dāng)參數(shù)S較小時(shí)（S&l... 

【文章來(lái)源】：江蘇大學(xué)江蘇省

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【部分圖文】：

石墨烯、零維富勒烯、一維碳納米管和三維石墨示意圖[3]

?Ｍü?隕鮮笛榭梢鑰闖觶???┑鵲ピ?傭??納米材料的可拉伸性能可以通過(guò)剪紙/折紙的方法獲得，從而其在復(fù)合材料和柔彈性電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用得以拓展。波士頓大學(xué)Park團(tuán)隊(duì)在石墨烯和二硫化鉬等二維材料中引入矩形剪紙圖案[18,19]，采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了兩種材料的拉伸變形力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)與未裁剪材料相比，雖然剪紙模型的屈服和斷裂應(yīng)變提高為原來(lái)的3-4倍，但是材料的強(qiáng)度和彈性模量大大降低。所以，在構(gòu)建石墨烯剪紙時(shí)，既要考慮延展性的增加，又要滿足高剛度和高強(qiáng)度的需求，這一問(wèn)題仍需我們繼續(xù)探索。圖1.2石墨烯剪紙“彈簧”示意圖[17]Fig.1.2Schematicdiagramofgraphenekirigamispring.當(dāng)材料樣品沿縱向受拉或受壓時(shí)，它不僅沿加載方向變形，而且沿橫向方向變形。沿試樣加載方向的變形與側(cè)向變形之間的耦合受泊松比控制，泊松比定義為受縱向加載的材料試樣的橫向法向應(yīng)變與縱向法向應(yīng)變的負(fù)比。如果樣品受到縱向拉伸時(shí)的側(cè)向法向應(yīng)變?yōu)檎�，或者樣品受到縱向壓縮時(shí)的側(cè)向法向應(yīng)變?yōu)樨?fù)，該材料被稱為拉脹材料[20]。因此，對(duì)于一個(gè)拉脹材料，它的泊松比是負(fù)的。研究表明，負(fù)泊松比材料具有抗剪切能力好、斷裂韌性強(qiáng)、相較于一般材料更能抵抗壓痕等優(yōu)異機(jī)械性能[21-23]，因而擁有廣泛的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。負(fù)泊松比材料可應(yīng)用于軍事領(lǐng)域如防彈背心、輕質(zhì)護(hù)膝、頭盔等，生物醫(yī)藥領(lǐng)域如人造皮膚、壓線、藥物釋放裝置等，航天航空領(lǐng)域如振動(dòng)吸收器、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)的雷達(dá)罩等[24]。

石墨烯剪紙的力學(xué)性能及調(diào)控機(jī)理研究4圖1.3正、負(fù)泊松比變形示意圖[20]Fig.1.3SchematicdiagramofpositiveandnegativePoisson’sratiodeformation.負(fù)泊松比材料也廣泛存在于實(shí)際工程中。例如，69%的立方金屬晶體和一些以面為中心的立方稀有氣體固體在沿特定離軸方向拉伸時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出拉脹特性[25,26]。許多天然材料已被發(fā)現(xiàn)是拉脹材料[27-29]。在人造材料中，拉脹材料也很受歡迎。它們可以在重入式蜂窩[30]、泡沫[31-33]、微孔聚合物[34]、復(fù)合材料[35-37]、陶瓷[38,39]和折紙[40]中找到，而分子尺度上的拉脹材料早在20多年前就有報(bào)道[41]。據(jù)報(bào)道，傳統(tǒng)的非拉脹材料可以通過(guò)裁剪等技術(shù)轉(zhuǎn)化為具有特定泊松比值的拉脹材料[42-47]。近來(lái)，性能卓越的石墨烯材料也表現(xiàn)出負(fù)泊松比效應(yīng)。ZakharchenkoKV等人將石墨烯材料進(jìn)行高溫?zé)嵴T導(dǎo)波紋處理，溫度控制為1700K左右，結(jié)果顯示石墨烯的泊松比出現(xiàn)了負(fù)值，這也說(shuō)明面內(nèi)波紋是驅(qū)使石墨烯的負(fù)泊松比效應(yīng)的重要機(jī)制[48]。Jiang等人發(fā)現(xiàn)在氫化率低時(shí)，氫化石墨烯的泊松比會(huì)由正變負(fù)，在氫化率高時(shí)，氫化石墨烯的泊松比又會(huì)增加[49]。研究者還發(fā)現(xiàn)，氧官能化也會(huì)使石墨烯的泊松比值由正變?yōu)樨?fù)，并且石墨烯的泊松比值隨著氧化程度增加而單調(diào)減少[50]。此外，研究者們發(fā)現(xiàn)通過(guò)裁剪技術(shù)在石墨烯上設(shè)計(jì)一系列特定圖案，石墨烯剪紙表現(xiàn)出拉脹行為，而且他們的泊松比隨著剪紙穿孔的形狀和尺寸的變化而有所改變[51,52]。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)石墨烯的研究發(fā)展意義重大，可以利用石墨烯剪紙材料的負(fù)泊松比特點(diǎn)滿足特定應(yīng)用。到目前為止，在分子水平上設(shè)計(jì)和合成這種拉脹材料仍然是一個(gè)研究熱點(diǎn)。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自石墨烯剪紙?zhí)岢鲆詠?lái)，立刻引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯剪紙的性能靈活，研究者可以根

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Loading direction-dependent shear behavior at different temperatures of single-layer chiral graphene sheets[J]. Yang Zhao,Shuhong Dong,Peishi Yu,Junhua Zhao.  Acta Mechanica Sinica. 2018(03)
[2]石墨烯剪紙的大變形拉伸力學(xué)行為研究[J]. 韓同偉,李攀攀.  物理學(xué)報(bào). 2017(06)

碩士論文
[1]石墨烯剪紙的拉脹性以及力學(xué)性質(zhì)的研究[D]. 郝曉麗.西北農(nóng)林科技大學(xué) 2018



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