碳納米管-石墨烯界面剪切失效分子模擬研究.pdf

1、碳納米管和石墨烯具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、高導(dǎo)電性等一系列優(yōu)異性能，已經(jīng)開始應(yīng)用于復(fù)合材料、電子器件、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。碳納米管/石墨烯多尺度復(fù)合材料在保持優(yōu)異力、電、熱學(xué)性質(zhì)的同時(shí)，使一維碳納米管和二維石墨烯擴(kuò)展到三維復(fù)合材料。但是碳納米管/石墨烯多尺度復(fù)合材料并未得到各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，部分原因在于其界面粘結(jié)的不穩(wěn)定性，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碳納米管與石墨烯表面的脫粘現(xiàn)象，也就是界面失效。碳納米管/石墨烯多尺度復(fù)合材料的失效模式問題已經(jīng)

2、引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，包括界面剝離失效和界面剪切失效。對(duì)于剝離失效，已經(jīng)通過分子模擬、實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行了深入研究，然而卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道碳納米管/石墨烯界面剪切失效問題。為了進(jìn)一步揭示碳納米管/石墨烯界面剪切失效機(jī)制，本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)這一機(jī)制進(jìn)行了深入討論，主要包括以下幾個(gè)方面工作：
　　采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了范德華力作用下碳納米管/石墨烯界面剪切失效行為，并考察了石墨烯尺寸、碳納米管壁數(shù)和石墨烯層數(shù)對(duì)剪切行為的影響。隨著剪切

3、位移的增加，剪切力呈周期性變化，并且碳納米管壁數(shù)會(huì)影響剪切力-位移曲線的周期性，石墨烯層數(shù)對(duì)周期性不產(chǎn)生影響；臨界失效剪切力出現(xiàn)在剪切過程的開始階段；臨界失效剪切力隨石墨烯對(duì)碳納米管的包裹面積和包裹面積對(duì)應(yīng)的相對(duì)分子質(zhì)量增大而增大。
　　研究了石墨烯氫化比例對(duì)范德華力作用下碳納米管/氫化石墨烯界面剪切失效行為的影響。氫原子的存在削弱了石墨烯對(duì)碳納米管的包裹作用；隨著氫原子的增加，剪切力-位移曲線的周期性逐漸模糊；碳納米管/氫化石墨

4、烯的臨界失效剪切力大于同尺寸下碳納米管/未官能化石墨烯臨界失效剪切力。這些結(jié)果說明氫原子的存在有效提高了碳納米管/石墨烯抗剪強(qiáng)度。
　　研究了石墨烯被氧化比例和羥基占官能團(tuán)比例對(duì)碳納米管/氧化石墨烯界面剪切失效行為的影響。相對(duì)于碳納米管/未官能化石墨烯，剪切力整體提高；官能團(tuán)的存在使剪切力-位移曲線不再具有周期性，并且加劇了剪切力-位移曲線的波動(dòng)程度；臨界失效剪切力不再出現(xiàn)在剪切開始的階段。這些結(jié)果表明官能團(tuán)的存在有效提高了碳納米