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多晶石墨烯力学性质的分子动力学研究_鲁莹
, 37 9 Applied Mathematics and Mechanics
网络出版时间:2016-09-06 16:47:58
2016年9月15 日出版 Vol.37,No.9,Sep.15,2016
网络出版地址:/kcms/detail/50.1060.O31647.032.html
文章编号:1000⁃0887(2016)09⁃0901⁃14 ⓒ 应用数学和力学编委会,ISSN 1000⁃0887
多晶石墨烯力学性质的分子动力学研究∗
1 1,2
鲁 莹 , 钱 劲
(1. 浙江大学 应用力学研究所 软物质科学研究中心,杭州 310027;
2. 浙江省软体机器人与智能器件研究重点实验室(浙江大学),杭州 310027)
(我刊编委钱劲来稿)
摘要: 实验中纳米压痕被广泛用于测量单晶或多晶石墨烯的力学性质,而分子动力学模拟中研
究者们更多地使用单轴拉伸来测量石墨烯的力学性质.两种测量方法对于多晶石墨烯弹性模量和
破坏强度的预测是否存在差异? 多晶石墨烯的力学性质是否依赖于其晶粒大小? 对于固定晶粒
大小的多晶石墨烯,拓扑结构的不同是否影响其力学性质? 围绕以上问题,通过对比纳米压痕和
单轴拉伸两种方法的分子动力学模拟,研究了多晶石墨烯弹性模量和破坏强度对晶粒尺寸、拓扑
结构和测量方法的依赖性.
关 键 词: 多晶石墨烯; 纳米压痕; 单轴拉伸; 弹性模量; 破坏强度; 分子动力学
中图分类号: O34;O39 文献标志码: A
doi:10.21656/ 1000⁃0887.370121
引 言
石墨烯(graphene)是从石墨材料剥离的由单层碳原子组成的二维晶体.它具有六角形蜂
巢结构,是迄今为止最薄、强度最高的材料,其破坏强度比最好的钢材还要高出约200倍.除电
学、光学方面的特殊性能之外,石墨烯优异的力学性能使其成为力学领域的研究热点之一.实
[1] [2]
验中制备石墨烯的方法通常有机械剥离法 、SiC分解法 、氧化石墨还原法和化学气相沉积
[3⁃7]
(chemical vapor deposition,简称CVD)法 等,其中CVD法是目前制备高质量、大面积石墨
烯最常用的实验方法.然而,CVD 法生成的大面积石墨烯中不可避免地含有晶界等拓扑缺
[5]
陷 ,所得产品一般是由纳米级到微米级尺寸的石墨烯晶畴(或晶粒)拼接而成的多晶材
料[4,8⁃9] ,其二维结构中晶界的存在将不可避免地影响石墨烯的力学性质.近年来,关于多晶石
墨烯弹性模量和破坏强度的研究工作越来越多,研究者通过实验和模拟手段量化多晶石墨烯
[4]
的缺陷与其力学性能的对应关系,即结构⁃功能关系.例如,Lee等 利用纳米压痕的方法系统
研究了单晶及多晶石墨烯的力学性质,发现多晶石墨烯弹性模量和单晶石墨烯基本没有差别,
平均晶粒尺寸为1~5 μm 的多晶石墨烯的破坏强度则显著小于单晶石墨烯.
分子动力学模拟被广泛用于石墨烯力学行为的研究中.分子动力学主要是运用Newton(牛
顿)力学来模拟相互作用的分子或原子体系运动,计算机软硬件的快速发展为利用分子动力
∗ 收稿日期: 2016⁃04⁃18;修订日期: 2016⁃05⁃23
基金项目: 国家自然科学基金;浙江省自然科学基金(LR16A020001)
作者简介: 鲁莹(1989—),女,硕士生(E⁃mail:yinglu@zju.edu.cn);
钱劲(1978—),男,教授,博士生导师(通讯作者. E
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