石墨烯氣凝膠力電行為多尺度研究

《石墨烯氣凝膠力電行為多尺度研究》是依託西安交通大學，由劉益倫擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯氣凝膠力電行為多尺度研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉益倫
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

石墨烯氣凝膠是一種多功能輕質材料，集力學承載、能量吸收、感測、化學吸附等功能於一體，在輕質防護結構、柔性感測器、智慧型材料與結構、環保材料等多方面都有非常重要的套用價值，引起了廣泛的研究興趣。石墨烯氣凝膠具有非常獨特的力學、電學行為，如超彈性，粘彈性，壓阻效應等。然而，由於石墨烯氣凝膠非常複雜的多級結構，前人的研究大多集中在材料製備和性能表征，還不清楚石墨烯氣凝膠超彈性、粘彈性、壓阻效應的微觀機理，尚缺乏相應的粘彈性本構關係。本項目擬通過多尺度的方法研究石墨烯氣凝膠力學、電學行為，揭示其巨觀力、電行為與各級微觀結構的關係。我們將研究各級微觀結構的自組裝過程，找出影響各級微觀結構的關鍵因素，發展石墨烯氣凝膠胞壁、胞元的力學模型，揭示石墨烯氣凝膠超彈性、粘彈性、壓阻效應的微觀機理，建立粘彈性本構關係。在此基礎上發展石墨烯氣凝膠多級分析、最佳化模型，為石墨烯氣凝膠最佳化設計和工程套用提供指導。

結題摘要

石墨烯氣凝膠具有輕質高強、可重複吸能、比表面積大、熱學、電學性能優異，在輕質防護結構、柔性感測器、智慧型材料等領域都有重要套用。在本項目中我們致力於發展石墨烯氣凝膠多尺度力學模型和最佳化設計方法，分別從二維材料片層、胞壁多層結構和氣凝膠多孔結構出發構建石墨烯氣凝膠結構-性能關聯關係，為開發新型高性能石墨烯氣凝膠提供理論指導。針對石墨烯氣凝膠的組成單元-石墨烯片層，我們發展了二維材料相場晶體模型，可以得到任意曲面石墨烯構型，建立了石墨烯面內孔洞、拓撲缺陷、幾何構型與面內拉伸性能的關係聯繫。研究了石墨烯層間不同類型交鏈的力學性質以及石墨烯層間碳納米管夾雜彎曲力學行為，從而為高面內力學性能和高層間載荷傳遞能力的石墨烯片層設計提供指導。在石墨烯氣凝膠胞壁層面，我們把石墨烯單層彎曲能引入到傳統鐵木辛柯梁模型中，發現層狀材料和結構的彎曲行為由一個無量綱參數控制。對於多層石墨烯斷裂，我們發現了逐層斷裂和整體斷裂兩種模式，並得到了其判定條件。根據石墨烯層狀材料面內導熱特點，建立了層狀材料熱導模型，可以很好的描述層狀材料熱傳導行為。提出了自修復交鏈增強增韌模型，並基於此得到了層狀材料最佳化設計方法。在石墨烯氣凝膠多孔結構方面，建立了石墨烯氣凝膠相變結構，可以很好的解釋石墨烯氣凝膠加卸載能量耗散，發展了石墨烯氣凝膠電導模型，發現了層間接觸電阻和缺陷主導的石墨烯氣凝膠電導行為。此外，利用前面發展了相場晶體生長模型，得到了石墨烯氣凝膠多孔模型，可以用來研究石墨烯氣凝膠熱、力、電耦合行為。在材料複合層面，提出了石墨烯膜/高分子雙連續模型，通過石墨烯膜連續斷裂增強增韌。該項目發表SCI論文33篇，其中3篇文章發表在固體力學知名期刊JMPS上，相關結果獲得國家自然科學二等獎-范德華層狀介質的滑移行為和力學模型。