石墨烯／Cu复合材料力学性能的分子动力学模拟讲解

Xi’an Jiaotong University
随着载荷的增加裂纹尖端始终不能穿过石墨烯片层结构，在 界面上出现密排六方结构的金属原子，表明复合材料的部分 塑性变形将通过沿石墨烯表面的滑移来实现。
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3.结论 （１）建立了石墨烯/Cu复合材料的原子模型，预测了较 低石墨烯体积含量情况下复合材料的弹性模量随石墨烯的 体积分数线性增加，数值模拟结果与Halpin-Tsai方法预测 结果一致。此外，石墨烯的加入提高了复合材料的屈服应 力。
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1.提高nL/t的值，可以提高石墨烯的应力传递效率。
结 论
2.提高石墨烯在拉伸方向的长厚比以及石墨烯的体积 含量来提高复合材料的宏观等效强度。
3.石墨烯在基体材料中的排列方式也对复合材料的力
学性能具有重要的影响。
２.石墨烯对裂纹扩展的抑制
在单晶铜中加入石墨烯提 高了材料的强度和断裂应 变。石墨烯/Cu复合材料 表现出较大的延伸能力， 断裂应变远大于含裂纹的 单晶铜.
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式中：Ｅ0为复合材料的弹性模量 常数γ和ζ 分别定义为: Ｅｇ和Ｅｍ分别为石墨烯和Ｃｕ基体的弹性模量。
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分子动力学模拟得到的复合材料等效弹性模量在石墨烯体 积分数较小时，随石墨烯的体积分数增加而线性增加，模 拟结果与Halpin-Tsai模型的预测趋势一致.
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三、结果与讨论
1.拉伸应力－应变响应
弹性应变大于３％以后， 弹性段表现出一定的非 线性特征，因此通过拟 合应力－应变曲线的初 始线性段（应变＜２％） 即可得到材料的初始等 效弹性模量。
根据Halpin-Tsai模型，采用体积分数为Ｖｇ的石墨烯（w、l 和t分别为石墨烯的宽、长和厚度）增强弹性模量为Ｅｍ的基 体所得单向增强复合材料的相对弹性模量为:
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石墨烯／Ｃｕ复合材料力学性能的 分子动力学模拟
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一、石墨烯性能相关介绍 二、分子动力学模型和方法 三、结果与讨论
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一、石墨烯性能相关介绍
石墨烯是一种由sp2共价键结合碳原子组来自百度文库的二维晶体结 构，理论厚度大约0.335nm，因此具有很大的比表面积。
同时也表明载荷成功地 从金属基体通过界面作 用传递到了石墨烯上。 此外，还可从图２中观 察到复合材料的强度和 变形能力也随着石墨烯 的加入得到一定程度的 提高。
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石墨烯与基体之间的结合强度决定了材料的最终强度。 根据剪滞理论，石墨烯面内拉伸方向的应力σｇ与界面上 的剪应力τ之间的关系可以表示为:
单晶铜中的预制裂纹 迅速扩展，裂纹不断 扩大并形成明显的紧 缩现象，最终导致材 料断裂。石墨烯／Ｃ ｕ复合材料由于在单 晶铜的基础上加入了 石墨烯的片层结构， 裂纹尖端到达石墨烯 表面并不能形成贯穿， 随着载荷的增加，金 属基体产生了沿石墨 烯表面的滑移.
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力学性能
石 墨
电学性能
烯
热物理性能
理想的纳米填 充材料
二、分子动力学模型和方法
1.实验模型 单晶铜:15.347*7.08*7.2nm3 石墨烯：10.22*4.72nm2 石墨烯厚度:0.335nm
Cu - Cu ：嵌入EAM势
势
函 数
C
–
C
：
反应经验键序 （REBO）势
Cu – C : Morse势
距离石墨烯表面ｚ处的剪应变可以定义为:
式中：ｕ为位移;Ｇｍ为基本的剪切模量 基于对石墨烯和基体材料应变假设:
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并认为石墨烯的厚度与其他方向的尺寸相比为小量
同时，得到石墨烯表面的剪应力为 式中：
其中，Ｔ 为石墨烯／Ｃｕ复合材料的单元胞体模 型在ｚ方向的尺寸
（２）通过比较裂纹在单晶铜和石墨烯/Cu复合材料中的 动态扩展过程，表明石墨烯的加入对于阻止裂纹的扩展 有显著的作用，从而提高了复合材料的变形能力。
（３）石墨烯/Cu复合材料的塑性变形主要表现为沿石墨 烯表面的滑移，表明石墨烯与金属Cu的界面力学性能对 于复合材料的整体性能有重要的影响，可望通过控制界 面力学性能从而形成对复合材料整体力学性能的设计。
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谢谢老师