石墨烯複合材料多尺度建模及性能最佳化

《石墨烯複合材料多尺度建模及性能最佳化》是依託西安交通大學，由劉益倫擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯複合材料多尺度建模及性能最佳化
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉益倫
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

石墨烯複合材料具有優異的力學、熱學以及電學性能，具有極大的工程套用價值。但是對於石墨烯複合材料的研究，目前還處於嘗試性的實驗研究階段，其基本物理機制尚不清楚，用於預測、最佳化材料性能的模型還有待開發。石墨烯複合材料具有多級結構，其整體力學性質依賴於不同尺度結構特徵和性質，如分子尺度石墨烯界面性能，納米尺度石墨烯堆垛結構，介觀尺度石墨烯團簇和分散等。本項目將通過密度泛函第一原理、分子動力學、連續介質模甩埋戰敬型以及相應的力學實驗系統地研究石墨烯複合材料的力學性能。主要研究目符芝擔標：（1）石墨烯界面力學性質，研究石墨烯界面共價鍵、離子鍵、氫鍵等不同交鏈機制的載荷傳遞能力和效率；（2）連續介質建模，通過連續介質模型，考慮石墨烯界面交鏈機制、石墨烯堆垛結構以及石墨烯團簇，預測石墨烯複合材料整體力學性能；（3）基於前面的研究結果最佳化石墨烯複合材料的力學性能，根據不同的用途得到不同的最佳化策略。

結題摘要

石墨烯複合材料根據石墨烯組成單元的微觀結構可以分為石墨烯增強複合材料和石墨烯層狀材料。由於受到石墨烯分散性較差的限制，很難獲得高體積分數的石墨烯增強複合材料，因此對力學性質的增強效果有限。石墨烯層狀材料由石墨烯疊層自組裝而成，可以形成不同微觀結構的石墨烯層狀材料，如石墨烯纖維、石墨烯膜、石墨烯紙、石墨烯多孔材料等，其相同的結構單元都是由多層石墨烯平行堆疊而成的層狀結構。本項目中，我槳捆朽歸們檔籃甩主要研究了石墨烯層狀結構的力學行為，從而為石墨烯層狀材料的最佳化設計提供指導。石墨烯層間剪下模量和強度比面內拉伸模量和強度低兩個量級以上，這導致了石墨烯層狀結構具有非常獨特的力學行為。 由於石墨烯片層尺寸有限，石墨烯層狀材料中典型的載荷傳遞方式是拉伸-剪下模式。石墨烯層間剪下載荷傳遞能力是制約石墨烯層狀材料力學性質的關鍵因素。我捉悼連們分別研究了石墨烯層間氫鍵網路交鏈、戊二醛共價交鏈以及褶皺石墨烯的幾何自鎖效應對層間載荷傳遞能力的影響，建立了不同類型交鏈的力學模型。發現戊二醛共價鍵交鏈和氫鍵網路的協同作用可以極大的提高石墨烯層間剪下模量和強度。氫鍵網路具有自修復特性，當共價鍵交鏈失效之後，還能提供一定的承載能力。我們在石墨烯中引入不同密度和分布的拓撲缺陷，可以調控石墨烯的褶皺形態。由於石墨烯褶皺戀協灑的幾何自鎖效應，層間剪下模量和強度提高一個量級以上。考慮石墨烯層間不同交鏈形式、石墨烯尺寸以及石墨烯面內變形，建立了石墨烯層狀材料雙網路可變形拉-剪鏈模型，可以預測石墨烯層狀材料的力學行為和破壞模型，為石墨烯層狀材料的最佳化設計提供指導。 考慮單層石墨烯的彎曲變形能、石墨烯面內變形以及層間剪下，建立了多層石墨烯彎-剪耦合模型，可以描述多層員整石墨烯的壓縮失穩臨界應變。發現存在一個特徵長度，由單層石墨烯剛度、層間剪下模量以及層間距決定。當石墨烯的尺度遠大於特徵長度時，多層石墨烯的臨界失穩應變和幾何尺寸無關，由幾個材料常數決定。