石墨烯结构

对于单层石墨晶体就成为石墨烯(上图右)。石墨烯是以三个碳原子 SP2 杂化而成的正六边 形二维结构。剩余一个电子与其他电子形成类似于骈苯的大π 键。如此结构造就了石墨烯当前 最强的度（111Gpa 抗压、0.5tpa 的弹性模量） 。 对于材料破坏的大体过程大致可分为：键长变化、分子（原子）滑移、共价键重组、断裂 四个阶段。不同属性的材料有着不同的过程。比如钢，在受到外拉力作用时，金属晶体内部原 子核与电子之间的距离在平行与拉力方向加长，库仑力减小。去掉外力，在库伦力下重新回到 原来位置。 当某两个原子之间的距离增加到一定距离而其中一个与另外一个的距离逐渐逼近时， 原子就会滑落到新的位置达到平衡，即原子滑移。材料不断承受外力载荷下不断滑移，在材料 面积较小的部分原子滑移的速度快，从而在滑移过程中原子试图以滑移产生位移来满足外力。 有些高分子合成材料(如橡胶)受到外力是的第一反应是发生翘曲。过程如下：
全。作者还注意到石墨烯结构在承受平行于平面的力时存在正交各向异性的问题。即所知的扶 手型和阶梯型。主要是其几何结构的正交异性。在发生断裂之前同样存在原子滑移共价键重新 组 合 ， 结 构 发 生 畸 变 抗 拉 性 能 下 降 。
图1
图 2 单元结构
图3
图4
按照上面的结构，由边长 6 米，总厚 1.3 米的正六边形组成的 720 多平方米结构在自重和 600KN（按上面站立 100 个人，平均体重 50KG 计算）力下的最大综合变形只有 0.0053477m， 结果还是比较好的。要是进行优化设计会更好。 本文曾就石墨烯正六边形的力学性能完全归结于 SP2 二维结构，发现正六边形宏观结构就 其他的结构并没有太突出的力学性能。随后从微观上考虑原子在运行过程中的稳定频率下以三 菱结构能量最低，最稳定。然而对圆盘进行模态分析时，随着阶数的增加（最大达到 310 阶） 圆盘变形的规则图形边数在缓慢的增加，但是已经超过三菱型。最后归结为在当前情况下以共 价键组合并能够整齐排列的物质为数不多。石墨烯是从层状石墨剥离而来的。
关于材料破坏方式 材料破坏是一种材料疲劳后的结果。 人类所知的所有材料形形色色千奇百怪，从各个方面可以分类成各种不同的种类。比如： 固体、液体、液晶体；固体、乳浊液、清浊液、液体；金属、非金属；诸如此类的高分子材料， 纳米材料，有机材料，无机材料，生物材料，非生物材料 作为材料科学，材料的物理性质按照性质大体分为韧性材料、脆性材料；材料学上，人们 用几个特定的物理量来定义显示材料的各项性能指标，如：弹性模量、泊松比、密度、屈服模 量、剪切模量、摩擦系数、膨胀系数、热应变、阻尼系数、比热容、热焓等等。然后进行一定 的理想假设根据材料的具体特性和结构得到比较符合实际的理想材料模型，比如，双线性随动 强化模型、双线性等向强化模型、多线性随动强化模型、多线性等向强化模型；材料结构性质 性质模型，比如，杆件、梁、壳、体、管道、弹簧。 在宏观上，材料发生破坏的原因大体上归结为四个破坏准则。在微观上的破坏归结为共价 键或者其他的键得到能量断裂从而发生破坏。本篇文章主要从微观入手一直到宏观结束，构想 材料的破坏历程顺序。 目前来讲，构成物质的最基本粒子是夸克（如果考虑反物质会存在反夸克，此不赘述） 。夸 克构成质子、电子、中子。质子、电子、中子构成原子。原子组成单质物质以及分子物质。物 质分为晶体、非晶体、液晶体。对于晶体大体分为离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体。 晶体的粒子规则整齐地排列。 离子晶体之间存在较强的离子键，离子晶体的硬度比较大、难于压缩；分子晶体存在分子 之间作用力（范德华力） ，一般来说分子量越大范德华力越大。但是分子间的作用力比起化学键 弱得多。但是有些氢化物（HF、冰、氨）通过氢键的作用，发生破坏的能量就要消耗的多一些； 原子晶体（二氧化硅、金刚石）通过共价键结合生成空间规则的网状结构具有非常大的硬度； 金属晶体（除汞以外）中，金属原子好像许多硬球一层一层紧密的堆积着，原子周围有许多的 电子围绕。金属离子与自由电子存在较强作用。金属存在不同程度的延展性。 石墨晶体(下图左)是一种层状结构，每层原子是整六边形的碳原子排列而成。层与层之间 以范德华力结合。
MAXIMUM ABSOLUTE VALUES UX UY UZ USUM NODE 21239 21434 94701 94701 VALUE 0.41823E-03 -0.36301E-03 -0.53477E-02 0.53477E-02 此外，六边形网格在模态分析中第一阶频率较四边形网格低，位移小，质量分布容易均匀。 （见 下表）加上正六棱柱体的比表面积是同体积其他种ห้องสมุดไป่ตู้几何体之最，非常有利于散热。所以可以 把六边形网格和六棱柱结合起来制作成散热片。 随处可见正六边形的网格；蜂蜜的蜂窝；路面的地砖；公路的挡土墙内镶嵌转……在自然 界脆性材料（如薄土块、石头）的破裂基本上是六边形，其原理在于比表面积的优势。 MAXIMUM ABSOLUTE VALUES 四边形 NODE 245 111 1 1 VALUE 0.15277E-18 0.37765E-18 0.49883E-01 0.49883E-01 MAXIMUM ABSOLUTE VALUES 六边形 NODE 207 135 81 81 VALUE -0.55946E-17 0.21490E-16 0.36476E-01 0.36476E-01 （要求网格所用材料总长一样） 石墨烯是自然剥离的产物， 如果自然界存在其他的规则的晶体物质也会是非常稳定的结构。 随着科学技术发的发展，以后人类可以自己合成加工制作符合量子力学的稳定结构。 基于石墨烯的结构特性，还可能实现几种结构。提高抗拉力学特性。
苯 金刚石晶体的 SiO2 晶体一样（脆性材料） ，在破坏时晶体的裂缝由尖角向下呈发散状。 于是得到一个能够承受拉压力并且可以较完好的没有损伤（没有疲劳或者不不产生裂纹） 的材料，就要求它的微观结构是整齐有序的以共价键结合的物质。又由烷、烯、炔的化学表现 可以看出三键、双键共价键的力学特性更高，但是化学稳定性又较低。这种三键、双键高分子 材料只可以在惰性气体下保持稳定，且难以制备。单键是比较理想的选择。 石墨烯晶体类似于骈苯物 SP2 杂化，剩余电子大π 键一圈形成如由上图。所以石墨烯的结 构应是 SP2 杂化共价 σ 键拼接成的正六边形二维结构结合剩余电子形成的类似于大π 键的空间 结构。本文认为剩余电子形成的键能对于石墨烯的结构稳定尤其是在承受垂直平面的力的最大 能力上有很大的贡献。尽管我们知道π 键比 σ 要活泼，但是大π 键对微结构的稳定也是有贡献 的。并且有改变分子空间结构的作用。如下图 1c 与 c 的空间关系由于另外一个共价键的引进发 生变化。这个本文把它比作弯矩的作用。石墨烯的结构一样各个大π 键在承受垂直方向荷载时 存在弯矩。于是石墨烯空间结构可以用下图 2、3 理想代替。此种结构可以作为地下展览时的地 面支撑架，中间镶嵌钢化玻璃。还可以作为大型场馆的穹顶、玻璃幕墙的固定框。既美观又安
金属晶体的破坏历程
高分子合成材料的破坏历程
破坏、断裂 滑移过程中内部裂缝存在摩擦力。 金刚石单质晶体具有极高的硬度因为原子极难以滑移。原子之间的共价键力是晶体里面最 消耗能量的键，加上金刚石晶体原子规律整齐的空间排序不容易发生应力集中和畸变。而能够 使得圆锥形金刚石破坏的本文以为是金刚石接触点向下的第二、三排的竖向由内至外的共价键 的 几 何 变 形 导 致 。 类 似 于
图 5 二维模型图形 l 硫化硼
避免材料破坏，就要从最小的量子级别考虑。需求最最整齐的共价键组合，最整齐的范德 华力，最稳定的力学结构。结合宏观结构设计就能构造出一个较好的抵抗破坏的结构。这就需 要利用结合稳定化学知识人工干预制造出这种具有整齐结构化合建的物质。 要利用破坏制造缓冲材料，就可以认为根据原子受力滑移的规律，找到一个决定是否需要 疲劳变形的临界共价键结构。最大化的利用最小滑移而不发生断裂来消耗最大能量。保护主体 结构。