28211.基于鼓泡法研究石墨烯粘著特性的理論分析與數(shù)值模擬

1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文基于鼓泡法研究石墨烯粘著特性的理論分基于鼓泡法研究石墨烯粘著特性的理論分析與析與數(shù)值模擬數(shù)值模擬TheeticalInvestigationNumericalSimulationontheAdhesionPropertiesofGrapheneNanofilmbasedonanApproachofBlisterTest一級學(xué)科：工程力學(xué)學(xué)科專業(yè)：固體力學(xué)作者姓名：王辰江指導(dǎo)教師：郭建剛副教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二〇一

2、四年十二月I摘要石墨烯是由單層碳原子通過共價鍵結(jié)合而成的具有六方對稱結(jié)構(gòu)的二維晶體。由于其優(yōu)異的力、電、磁、熱和光學(xué)等性質(zhì)，石墨烯在包括新型微納電子器件、納米復(fù)合材料、超靈傳感器等諸多領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯的粘著性能對基于石墨烯的微納電子器件的整體性能，納米復(fù)合材料的增強(qiáng)效應(yīng)等方面具有重要影響，因此對石墨烯粘著特性的研究非常重要，是目前研究的一個熱點(diǎn)。本文基于鼓泡法測試石墨烯粘著特性的實(shí)驗(yàn)方法，利用理論模型和有限元模擬對石

3、墨烯的粘著特性和脫粘時的力學(xué)行為進(jìn)行了分析和研究。針對鼓泡法研究石墨烯粘著特性的實(shí)驗(yàn)方法，基于經(jīng)典彈性板理論和薄膜理論，本文研究了石墨烯納米薄膜在分布載荷集中載荷作用下從基底上脫粘時的粘著性能及受力與變形特點(diǎn)。通過比較線性板、非線性板及薄膜理論下石墨烯的力變形關(guān)系，分析了三種理論的適用范圍。根據(jù)系統(tǒng)平衡時的能量變分原理，分別導(dǎo)出了非線性板理論和薄膜理論下石墨烯從基底上脫粘時的界面粘著能與臨界脫粘載荷以及脫粘撓度之間的解析表達(dá)式。利用該表

4、達(dá)式計算的結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)與原子模擬結(jié)果具有較好的一致性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了石墨烯的幾何尺度與臨界脫粘載荷、脫粘撓度以及固有強(qiáng)度之間的關(guān)系，給出了脫粘時石墨烯薄膜內(nèi)的應(yīng)變分布并且討論了石墨烯納米薄膜的厚度與界面能之間的關(guān)系。在理論分析的基礎(chǔ)上，利用有限元數(shù)值模擬研究了石墨烯納米薄膜從基底上脫粘時的界面力學(xué)行為。計算得到了石墨烯薄膜從基底上脫粘時的臨界脫粘載荷和臨界脫粘撓度，以及它們對石墨烯幾何尺寸的依賴性。模擬結(jié)果與理論模型結(jié)果