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力学性能的石墨烯论文刘轶伦,b博谢,b钟张，b,c郑泉水,b徐志平,b,na.中国北京清华大学工程力学系100084，b.中国北京清华大学纳米和微观力学中心100084c.中国北京大学和国家纳米科学中心100190文章信息文章历史：成文于2011年4月30日在2011年9月10日接受过修改并于2012年1月2日修改成功2012年1月11日可在线预览关键词：石墨、交联、墨第一性原理计算、可变形的张力--剪切模型、力学性能摘要基于石墨烯的纸质材料吸引特定的利益最近由于其优异的性能,其的关键是他们类似于许多生物材料骨、牙齿及珍珠层的层的层层次结构,层内强sp2债券和层间通道高效的负载换相结合。在这里我们首先研究了各层间和层内的通道通过第一性原理的力学性能广泛用于纳米复材料的张力——剪切(TS)链模型未能预测基于石墨烯的论文的合力学能。相反我们在这里提出变形张力——剪切(DTS)模型通考虑弹性变形的石墨烯薄片、也层间和层内交联。DTS然后用于预测墨烯论文在拉伸载荷作用下的力学性能。根据我们因而获得的结果，优设计策略为石墨烯论文提出了具有超高的刚度、强度和韧性。2012年Elsevier公司保留所有权利1.引言高性能和低成本复合材料在机械和民用航空航天上的应用是工程师的理想材料碳纤维。作为首创于20世纪50年代高性能复合材料因为他们非凡的机械特性，相对容易、廉价的制造工艺及低体仍是主要供应商。最近，随着纳米合成和工程技术的发展，也作为灵敏的层次化结构的生物材料，纳米复合材料具有优异的刚度、强度和能量耗散能力报道作为下一代的超多功能材料(比勒2006；邓禄普和弗莱特兹尔,2010;弗莱特兹尔和维纳,2010;高等人2003;吉和高,2004,2010年;科托夫2006;路飞等人2009）。例如,超强纳米纤维等碳纳米管分散在聚合物或金属机械加固矩阵。碳纳米管,与完美的圆柱形石墨结构,在高性能的纳米复合材料巨大的吸引努力实现他们的应用。然而,特别是多壁碳纳米管然而,尤其是对多壁碳纳米管,如有限的表面体积比,由于内壁无法进入的问题,分散性差在矩阵中由于束形成能力和其相对较高的成本,禁止了钢筋广泛应用。__________在通讯作者:工程力学系和纳米与微观力学、清华大学自动化系，北京100084研究中心。电话：+861062798274；传真：+861062798028。电子邮件地址：xuzp@tsinghua.edu.cn。0022-5096/$-请参阅前面的内容及2012年爱思唯尔有限公司。保留所有权利。工业部:10.1016/日本通信部.2012.01.002592Y.Liuetal./日本固体物理机械工程师60(2012)591–605阶段(发明于2010)。与此相反的是,石墨烯基复合材料，特别是论文，通过提供二维组装在图层的图层层次结构中的构建基块赫然克服这些问题(Chenetaal.2008；Stankovichetal.2006)，它可交联的各种化学品建立两层，即石墨烯层被桥接在同一层中，边缘和夹层荷载传递(Dikinetal.2007;Parketal.2008;Stankovichetal.2010;Stankovichetal.2006;Zhuetal.2010)。在石墨烯和其衍生物如石墨烯氧化物制成的纸质材料,作为巩固阶段的石墨烯纳米片组装在一层的层的方式(图1)。单层石墨烯在拉伸、弯曲和撕裂荷载下的力学性能广泛的研究(Luetal.2009;Senetal.2010;Xu2009)。作为单原子厚度的薄层,石墨烯薄片可以组装到多种形态,如石墨烯古卷球拍,等等,取决于它们的几何形状和环境(Cranfordetal.2009;XuandBuehler.2010)。因此层的至密情况可望改善其宏观力学性能。它也应该注意到。由于图1。(a)扫描电子显微镜(SEM)图像的石墨烯氧化物论文和解析模型显示分层结构的石墨烯薄片、层内及层间通道。此外表明桥结构原子表示形式。(b)抗剪强度与相邻的石墨烯薄片,通过几种交联类型，包括光秃的相互作用在石墨、间隙水层(H2O）与环氧、HB1、HB2、CB弥补之间的层间的距离值。(c)详细的通道被认为在我们的计算，包括两个原子结构相互作用环氧组(环氧树脂)，环氧和羟基(HB1)和两个羟基(HB2)和二价原子(镁)协助协调债券(CB)之间形成的氢键网络。有限大小的石墨烯床单在纸质材料、面内拉伸负载可以几乎不被转移通过分布式的石墨烯薄片层内债券不断，和协助相邻层之间的拉伸荷载传递所需的层间通道。因此有必要纳入的石墨烯和石墨烯论文的整体力学性能充分理解其交联的力学行为。在石墨烯纳米复合材料层内共价键是通常比层间通道的强得多。由变形层间通道的相邻的石墨烯层间抗剪强度从而限制了它们之间的荷载传递和定义整个复合材料的破坏机理(Gongetal.2010)。光秃秃的范德华力或p-轨道，石墨烯层间的相互作用导致大约帕斯卡超低的抗剪强度(Yuetal.2000)。引入强有力的层间结合,从而认为提高抗剪强度的承诺。例如,核辐照环境下创建共价键弥合石墨烯层（Huangetal.2010;Tellingetal.2003),并从而提高层间滑动能量屏障。然而,它很难利用这种大规模生产的技术。更经济、更灵活的方法,特别是与可控性和可逆性,需要探索。化学还原方法提供高效、廉价的方法来合成氧化石墨烯薄片从膨胀石墨(Baietal.2011;ComptonandNguyen.2010;Zhuetal.2010)。减少的产品通常含有大量的氧的化学基团，如环氧和羟基。从这种观点，石墨烯氧化物功能减弱面内力学性能，但很多改进和工程化的层间相互作用制备高性能纳米复合材料和文件中显示很大的潜力。期间基于石墨烯的纸质材料的后处理工艺,石墨烯或石墨烯氧化物层自组装在一层的层的方式,从化学处理对单分子膜的附加可控性。最近的实验表明,显著增强(杨氏模量、强度和韧性)的力学性能可以通过引入各种官能团，如二价离子和聚合物建立(Dikinetal.2007;Gaoetal.2011;Jeongetal.008;Parketal.2008;Stankovichetal.2007,2010)。然而,以量化方式理解的结构——产权关系在这里仍然较为缺乏。因此,禁止通过工程基于石墨烯的纸质材料和纳米复合材料的层次化结构的优化设计.有几个现有的理论模型,对复合材料力学和层次结构。考克斯在1952年提出的剪力滞效应模型中认为弹性纤维与软硬相间界面剪切,并广泛应用于纤维增强的复合材料,包括最近研究的碳纳米管纳米复合材料(Cox.1952;Gao.2005)。然而，基于石墨烯的纸质材料组装在一种类似于骨、牙齿和珍珠等生物材料的层巯模式。与层次结构的微观结构、高和他的合作者的生物材料的力学性能(Gaoetal.2003;JiandGao.2004)提出了张力——剪链(TS)模型。该模型可进一步扩展到捕获的材料失效机制和那些生物材料中的僵硬阶段血小板分布(Barthelatetal.2007;Tangetal.2007;Zhangetal.2010)。在TS模型中的矿物的骨头被认为是刚性杆或血小板，所以在矿物质和蛋白质之间的界面剪应力是均匀的。与此相反的是,这种假设的由于他们极大的长宽比的石墨烯文件而失败。在平面尺寸的石墨烯薄膜只有微米和其厚度是少于1毫微米,石墨烯的弹性变形从而是可比较的剪切变形层间通道。我们以后在这项工作将会看到,石墨烯必须考虑弹性连续介质模型成功地预测总体中机械石墨烯为基础的纸质材料属性。有三个定义的石墨烯氧化物纳米复合材料整体性能的关键因素：(1)层内的力学性能、由sp2碳——碳共价键交联在石墨烯边缘、层间通道(2)力学性能及纳米复合材料,即大小和空间位置的分布的石墨烯薄片（3)结构特点和其通道定义。基于来自先前的实验研究对石墨烯氧化物纳米复合材料的力学性能与结构的知识,我们在这里首先是量化几种交联机制,包括层内和层间的相互作用的力学性能。我们基于这些论据，剪力——滞后和TS模型的精神在这里开发变形张力——剪切(DTS)模型,以捕捉石墨烯论文与层间、层内交联和结构层次结构的力学性能,如先前所述。整体力学性能的纳米复合材料预计通过多尺度方法与美联储的第一性原理计算的参数。本文安排如下。在第2节后描述微观结构的石墨烯为基础的文件,(第2.1节），我们首先介绍我们的第一性原理计算的技术细节（第2.2节)，然后的层间和层内交联力学(第节2.3和第2.4)。DTS模型在第3.1节讨论了考虑层变形的石墨烯薄片在此模型中的重要性和第3.2节。我们然后应用DTS模型来探讨基于石墨烯的纸质材料的综合力学性能考虑层间和层内的通道(第3.3节和第3.4节)。这些结果的讨论中提出了第4节结束在前第5节，失效机理重点(第4.1节)、最优设计战略(第4.2节）和一些额外的评论(第4.3节)。2.机械性能的层间和层内的通道2.1.基于石墨烯的纸质材料的结构基于石墨烯的文件的解析模型示意图情节所示图1(a).石墨烯或石墨烯氧化物床单高度有序结构石墨烯薄片在哪里堆积层又一层通过层内、层间通道。594Y.Liuetal./日本固体物理机械工程师60(2012)591605这种秩序是极其重要的传递给其宏观力学性能的纳米尺度层间的相互作用(Cietal.2008)。通过假设所有的石墨烯薄片错开作为那些所示图1(a)具有相同的大小、相互关联的弹性板模型。二维代表体积单元(RVE)用来表示整个复合材料,一张工作表与两个邻国重叠，由其长度的一半。通过反复堆叠RVE细胞,可以构造整个纳米复合材料。拉伸力，适用于基于石墨烯的纸,拉伸载荷主要是由单原子的石墨烯薄膜维持的。之间相邻的石墨烯薄片的面内拉伸力转移的层间剪力和层内张力。因此基于石墨烯的纸的力学性能测定层间和层内交联的力学性能、力学性能和石墨烯氧化物负债表的规模。然而石墨烯层间和层内交联的力学性能有尚未被研究。所以预测基于石墨烯材料的力学性能，我们首先必须明白各种的层间和层内通道,通过在这里的第一性原理计算力学。2.2第一性原理计算力学性能的新跨界通道新跨界通道之间相邻石墨烯,板片躺在并行捕获中所示的超超晶胞的方法图1(a).考察了1.72nm×1.72nm菱形单体不同的各种官能团的石墨烯层之间的接口。在垂直于界面真空层2毫微米，代表为石墨烯磷脂双分子层隔离的边界条件的方向。随后使用平面波的基础集基于密度泛函理论(DFT)方法研究结构和力学性能的混合动力系统。广义梯度近似(GGA）在Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)参数设置用于交换相关功能和投影仪增广的波(PAW)电位用于离子-电子相互作用。我们使用维也纳初始仿真软件包(VASP)的计算。综上所述，一个能源截止300eV用于平面波基组和单一γ点用于布里渊区集成,因为我们有个大型超晶胞。这些设置已被鉴定出的总能量衔接，在小于1meV/atom。为几何松弛原子力收敛内0.01eV。所有结构最初是使用共轭梯度法都优化的。它应该注意到在我们使用超原晶胞的模拟时,因此这里的模型代表实际上石墨烯论文与定期交联数组。人口密度是每2.562nm2一交联。根据调查系统的大小很大程度是受限制的密度泛函理论方法计算，哪些可以多扩展进行分子动力学模拟与实证潜力功能键断裂,形成事件,如无功的力场(反应力场）,占(Buehleretal.2007;vanDuinetal.2001)。然而，我们使用在密度泛函理论方法给出了前后一致地对待所有这些参数的一些原子结构和元素我们考虑在这里因为当密度泛函理论，例如协调债券和镁离子,则无法使用反应力场或其他力场目前，虽然DFT给他们所有人一致的治疗。关键参数待定的通道是在拉伸载荷作用下的层内交联和剪切载荷作用下的层间交联的力学性能。采用直接拉伸的面内载荷的单体和几何优化之后，研究了层内交联拉伸行为。应力计算通过假设石墨烯薄膜作为一层薄壳厚度为1毫微米。层间通道的性能测定垂直（横向，在《1-100S》方向）移动一层石墨烯表对于它的邻居一步一步的间隔0.01毫