石墨烯單層和層壓板對石墨烯鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能影響的分子動力學(xué)模擬研究

圖1所示。石墨烯單層和疊層分布納米復(fù)合材料的壓縮建模。

圖2所示。純Al和Gr/Al納米復(fù)合材料的壓縮模擬。(a)不同層間距復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b)原子結(jié)構(gòu)分布（綠色原子代表FCC結(jié)構(gòu)，紅色原子代表HCP結(jié)構(gòu)，白色原子代表Other結(jié)構(gòu)）。

圖3所示。疊層石墨烯和分散石墨烯增強鋁的拉伸模擬。(a)堆疊石墨烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b)兩層分散石墨烯與兩層堆疊石墨烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比。

圖4所示。復(fù)合相分數(shù)統(tǒng)計。(a)純鋁(b) 1#Gra-Al (c) 2#Gra-Al (d) 3#Gra- Al (e) 1Gra-Al （f) 2Gra-Al (g) 3Gra-Al）

圖5所示。單層和疊層復(fù)合材料壓縮過程中位錯長度的變化。

圖6所示。壓縮過程中2Gr-Al復(fù)合材料位錯的變化。

圖7所示。壓縮過程中3Gra-Al復(fù)合材料位錯的變化。

圖8所示。不同溫度下2Gr-Al復(fù)合材料的壓縮模擬。(a) 2Gr-Al納米復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(B)不同溫度下0.08應(yīng)變下的原子結(jié)構(gòu)分布。

圖9所示。不同溫度下單層和堆疊層中位錯長度的變化。

圖10所示。不同溫度下單層石墨烯鋁基復(fù)合材料壓縮過程中位錯類型的變化。

圖11所示。不同石墨烯層數(shù)的石墨烯鋁基復(fù)合材料壓縮過程中位錯類型的變化。

圖12所示。不同堆疊石墨烯層的石墨烯鋁基復(fù)合材料壓縮時位錯類型的變化。

圖13所示。本征層錯的形成與層錯的合并。

圖14所示。單層石墨烯復(fù)合材料中階梯位錯和Hirth位錯的形成。

圖15所示。疊層石墨烯復(fù)合材料中階梯位錯和Hirth位錯的形成。

圖16所示。洛默-科雷爾的形成。

圖17。石墨烯鋁基復(fù)合材料層錯在斷口位置的變化。

一、背景

• 本文研究背景：隨著輕量化材料在航空航天和汽車工業(yè)中的應(yīng)用，石墨烯鋁基復(fù)合材料因其優(yōu)異的機械性能而受到廣泛關(guān)注。研究石墨烯單層和層狀結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響具有重要意義。

• 對相關(guān)研究工作的簡述及評價：

1. 現(xiàn)有研究主要集中在石墨烯的增強效果，但對其在鋁基復(fù)合材料中的具體影響尚缺乏系統(tǒng)性分析。

2. 以往的模擬研究多采用宏觀方法，未能深入探討石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響。

3. 相關(guān)文獻對石墨烯與鋁基材料界面的相互作用研究較少，限制了對復(fù)合材料性能的全面理解。

• 本文創(chuàng)新動機：通過分子動力學(xué)模擬，系統(tǒng)研究石墨烯單層和層狀結(jié)構(gòu)對鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，旨在揭示其微觀機制，為優(yōu)化復(fù)合材料設(shè)計提供理論依據(jù)。

二、方法

本文采用分子動力學(xué)模擬方法研究石墨烯單層和層狀材料對石墨烯鋁基復(fù)合材料機械性能的影響。為引出該方法，以下是必要的前提信息和定義：

1. 石墨烯單層與層狀材料：石墨烯是一種由單層碳原子以六角形排列構(gòu)成的二維材料，具有優(yōu)異的機械性能。層狀材料則是由多層石墨烯疊加而成，可能影響復(fù)合材料的整體性能。

2. 鋁基復(fù)合材料：鋁基復(fù)合材料是以鋁為基體，添加其他材料（如石墨烯）以增強其機械性能的復(fù)合材料。

3. 分子動力學(xué)模擬：一種計算方法，通過模擬原子和分子之間的相互作用，研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。

方法步驟

1. 模型構(gòu)建：建立石墨烯單層和層狀材料的分子動力學(xué)模型，并將其與鋁基體結(jié)合。

2. 參數(shù)設(shè)置：選擇合適的力場和模擬參數(shù)，以確保模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。

3. 模擬運行：進行分子動力學(xué)模擬，觀察不同石墨烯結(jié)構(gòu)對鋁基復(fù)合材料的影響。

4. 數(shù)據(jù)分析：分析模擬結(jié)果，評估石墨烯單層和層狀材料對復(fù)合材料機械性能的影響，包括強度、韌性等指標(biāo)。

5. 結(jié)果驗證：與實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

通過以上步驟，本文旨在深入理解石墨烯在鋁基復(fù)合材料中的作用機制，為材料設(shè)計提供理論依據(jù)。

三、結(jié)論

論文貢獻點

1. 研究創(chuàng)新

2. ：本研究通過分子動力學(xué)模擬探討了石墨烯單層和層狀結(jié)構(gòu)對鋁基復(fù)合材料機械性能的影響，該領(lǐng)域的研究空白。

3. 材料性能提升

4. ：結(jié)果表明，石墨烯的引入顯著提高了鋁基復(fù)合材料的強度和韌性，展示了石墨烯作為增強材料的潛力。

5. 模擬方法

6. ：采用先進的分子動力學(xué)模擬技術(shù)，為理解石墨烯與鋁基材料界面相互作用提供了新的視角。

論文局限性

1. 模擬條件

2. ：研究中使用的模擬條件可能與實際材料的生產(chǎn)和應(yīng)用環(huán)境存在差異，限制了結(jié)果的普適性。

3. 材料體系

4. ：僅考慮了石墨烯與鋁的組合，未探討其他可能的復(fù)合材料體系，可能影響對更廣泛應(yīng)用的理解。

5. 長時間行為

6. ：分子動力學(xué)模擬通常局限于短時間尺度，未能充分評估材料在長期使用中的性能變化。

概括性總結(jié)結(jié)論

本論文通過分子動力學(xué)模擬深入研究了石墨烯單層和層狀結(jié)構(gòu)對鋁基復(fù)合材料機械性能的影響，結(jié)果表明石墨烯的引入能夠顯著提升材料的強度和韌性，展示了其在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。然而，研究的局限性在于模擬條件與實際應(yīng)用的差異，以及未能涵蓋更廣泛的材料體系。因此，未來的研究應(yīng)考慮更復(fù)雜的材料組合和實際應(yīng)用環(huán)境，以進一步驗證和擴展本研究的發(fā)現(xiàn)。