基于分子动力学方法的石墨烯/聚乙烯复合材料界面剪切力学性能的研究

采用分子动力学模拟的方法进行石墨烯/聚乙烯复合材料界面剪切力学性能的研究。首先建立石墨烯/聚乙烯复合材料分子动力学模拟计算的模型,然后在300 K温度下对石墨烯进行了拉拔模拟实验,探讨石墨烯倾斜角度和层数对复合材料界面剪切力学性能的影响。模拟计算结果表明,在拔出速率为0.001 nm/fs的情况下,石墨烯25°倾斜角模型的界面剪切强度最大,比0°倾斜角模型界面剪切强度增加了39.8%,可见石墨烯倾斜角对界面剪切强度有较大的影响。在拔出速率为0.001 nm/fs和石墨烯0°倾斜角的情况下,单层、双层和三层石墨烯的聚乙烯复合材料模型的界面剪应力最大值分别为89.20、114.21和129.28 MPa,显然增加石墨烯层数能显著提高复合材料的界面剪切性能。当拔出速率为0.0005 nm/fs时,单层、双层和三层石墨烯的聚乙烯复合材料模型的剪切强度值比较接近,随着速率增加到0.001 nm/fs,三层模型剪切强度增强最大,双层模型次之,单层模型最小,然而速率超过0.001 nm/fs之后,单层模型剪切强度几乎线性增强,双层和三层模型剪切强度增强的幅度均比单层模型小,这说明拔出速率的增加使得复合材料的界面剪切强度呈现较大的提高。

氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料力学性能的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟和Reax FF反应力场,考察了加入氧化石墨烯后丁苯橡胶(SBR)的力学性能,包括杨氏模量、硬度、摩擦性能等.模拟结果表明,加入氧化石墨烯后,复合材料的杨氏模量相比于纯丁苯橡胶提高77%,硬度提高20. 30%,摩擦系数降低18%,磨损率降低38%.通过计算摩擦过程中氧化石墨烯和丁苯橡胶之间氢键能和结合能的变化,提出了摩擦性能增强的机制.在摩擦过程中,丁苯橡胶基体和氧化石墨烯之间的结合能逐渐增大,结合能增大的原因之一是氢键作用的增强.结合能的增大使得应力能够很好地从丁苯橡胶基体转移到强度更高的氧化石墨烯上,从而提高复合材料的摩擦性能.

基于分子动力学的石墨烯/碳化硅复合材料力学性能研究

为揭示复合材料在拉伸过程中的破坏机理,对石墨烯/碳化硅复合材料的拉伸力学性能进行了分子动力学模拟.研究结果表明:石墨烯与碳化硅接触的界面结构会影响复合材料的整体力学性能;相较于纯碳化硅,石墨烯/碳化硅复合材料在拉伸时,损伤更容易在界面处成核并生长;当石墨烯与碳化硅通过不同界面接触时,石墨烯与基底之间的不同相互作用使复合材料有不同的力学性能,相较于石墨烯直接与碳化硅的C表面接触,当石墨烯与Si原子接触时复合材料有更高的强度和失效应变.

石墨烯/铝基复合材料在纳米压痕过程中位错与石墨烯相互作用机制的模拟研究

石墨烯因其优异的力学性能已成为增强金属基复合材料的理想增强体.然而,目前对石墨烯/金属基复合材料在纳米压痕过程中嵌入石墨烯与位错之间的相互作用仍不清晰.本文采用分子动力学模拟方法,对90°,45°和0°位向的石墨烯/铝基复合材料进行了纳米压痕模拟,研究了压痕加载和卸载过程中石墨烯/铝基复合材料的位错形核及演化,以获取不同位向的石墨烯与位错的相互作用机制,并分析其对塑性区的影响.研究发现,石墨烯可以有效阻碍位错运动,并且石墨烯会沿着位错滑移方向发生弹性变形.在纳米压痕过程中,位错与不同位向石墨烯之间的相互作用差异导致塑性区的变化趋势不同.研究结果表明,在石墨烯/铝基复合材料中,位向不同的石墨烯对位错阻碍强度和方式不同,且石墨烯位向为45°的复合材料的硬度高于其他模型.此外,石墨烯/铝基复合材料的位错线总长度的演化规律与石墨烯位向紧密相关.本文研究可为设计和制备高性能石墨烯/金属基复合材料提供一定的理论指导.

拉伸加载下PBX炸药力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了拉伸加载下HMX基PBX界面力学行为的应变率依赖性。模拟结果显示,PBX的拉伸强度和弹性模量随着应变率的增加而增大。HMX-F2311的断裂方式与应变率相关:初始应变主要集中于黏结剂F2311,在低应变率下形成了一条大致垂直于加载方向的主裂纹;随着拉伸应变率的增加,破坏路径将分布在整个模型上;PBX的断裂失效是由于黏结剂F2311的脱粘。在单轴拉伸加载过程中,HMX-F2311的势能随拉伸应变率的增加而迅速增大,尤其在高应变率拉伸加载下,范德华力相互作用对势能的演变起到了决定性作用。分子动力学模拟揭示了应变率对HMX-F2311界面微观结构、力学行为和断裂损伤机制的影响,对PBX的设计、制备和安全使用具有重要意义。

多层氧化石墨烯单轴拉伸行为的分子动力学模拟

为探索氧化官能度、堆叠层数和温度对多层氧化石墨烯力学特性及变形行为的影响规律,本文采用分子动力学方法模拟了多层氧化石墨烯的单轴拉伸试验过程。结果表明:双层氧化石墨烯呈现各向同性特征,弹性模量和极限强度与氧化官能度的变化呈负相关;弹性模量受温度影响较小,而极限应力和极限应变受温度影响显著;氧化石墨烯的力学性能基本参量的变化对堆垛层数不敏感。研究结果揭示了影响多层氧化石墨烯力学特性的关键因素,可为介观尺度多层氧化石墨烯材料的应用提供指导。

含有缺陷3C-SiC陶瓷拉伸性能的分子动力学模拟

SiC纤维增韧SiC基复合材料(SiCf/SiC)由于其优越的性能而成为新一代核能系统重要候选材料之一.材料中的缺陷会使材料的力学性能发生变化,本文运用分子动力学程序LAMMPS模拟计算了分别含有空位、微空洞和反位替代三种缺陷的3C-SiC结构体系沿[100]方向的拉伸变形过程,原子间相互作用采用Tersoff多体势描述.通过模拟得到不同缺陷体系的应力-应变曲线和拉伸过程中体系能量,通过分析应力-应变曲线,得到了不同缺陷体系的杨氏模量、断裂应变、拉伸强度随缺陷"浓度"的变化关系,最后分析了3C-SiC拉伸断裂机理.研究结果表明,空位和微空洞对杨氏模量、拉升强度的影响类似,都是随着缺陷"浓度"的增加而减小,反位替代缺陷使体系的杨氏模量随缺陷"浓度"的增加而增大.

锂对铁素体拉伸力学行为影响的分子动力学研究

液态锂第一壁是磁约束核聚变领域的先进概念,相对于传统的固体壁材料,越来越多的实验表明液态锂壁具有独特的优势,不仅可以有效解决固体壁材料所面临的物理化学溅射、氚滞留等一系列问题,同时还可以显著提高等离子体的约束性能。然而,液态锂对大部分金属材料都具有很强的腐蚀特性,腐蚀引起的微观结构变化必然带来材料宏观力学性能的退化,对于结构材料而言,力学性能的退化将给整个装置带来安全隐患。基于此,采用分子动力学方法对单晶铁素体进行单轴拉伸模拟,分析锂原子对其塑性变形行为和屈服应力的影响。结果表明,锂原子可以显著抑制相变的发生,从而改变铁素体的塑性变形模式,同时影响屈服应力的大小以及与温度的变化关系。

石墨烯纳米片增强镁基复合材料力学性能及增强机制

采用分子动力学方法(MD)对单层石墨烯纳米片(GNPs)与单面及双面Ni包覆单层GNP(Ni-GNP、NiGNP-Ni)增强镁基复合材料(GNP/Mg、Ni-GNP/Mg、Ni-GNP-Ni/Mg)在单轴拉伸作用下的力学性能进行了研究,并与含有空位缺陷的双面Ni包覆单层GNP(Ni-defected GNP-Ni)及双面Ni包覆多层GNPs(Ni-n GNPs-Ni)增强镁基复合材料(Ni-defected GNP-Ni/Mg、Ni-n GNPs-Ni/Mg(n为GPNs层数))拉伸性能进行了对比。研究结果表明:GNPs的加入可以显著增强镁基复合材料的力学性能,与单晶Mg相比,GNP/Mg纳米复合材料在300 K及应变速率为1×109 s-1时的拉伸强度和弹性模量分别提高了32.60%和37.91%,而Ni-GNP-Ni/Mg的拉伸强度和弹性模量分别提高了46.79%和54.53%;此外,Ni-defected GNP-Ni/Mg复合材料的弹性模量和拉伸强度较GNP/Mg有较大的提高,但其断裂应变提高的幅度较小;而Ni-GNP/Mg复合材料的拉伸强度和断裂应变较GNP/Mg有较大的提高,但其弹性模量提高的幅度较小。Ni-GNP-Ni/Mg基复合材料的弹性模量、拉伸强度和断裂应变随着温度的升高而降低,表现出了温度软化效应,但复合材料弹性模量的变化对温度不敏感。随着Ni-n GNPsNi中n的增加,即增强体体积分数增大时,复合材料弹性模量、拉伸强度及断裂应变均随之增大,复合材料表现出良好的综合力学性能。最后通过对原子结构演化的分析,发现Ni-GNP-Ni/Mg纳米复合材料的强化机制主要是界面强化、载荷的有效传递及位错强化。

石墨烯/聚乙烯复合材料及其拉伸性能的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,模拟石墨烯/聚乙烯复合材料的微观结构和性能,并采用单轴拉伸模拟方法研究石墨烯/聚乙烯复合材料的拉伸性能.结果表明,在石墨烯/聚乙烯复合材料平衡构型中,聚乙烯基体分子在石墨烯表面处形成多层吸附层,吸附层处于动态稳定状态,层内分子可以发生扩散迁移.吸附层内聚乙烯分子发生"吸附固化"现象,分子弯曲程度减弱,发生有序排列,且在垂直于石墨烯方向的运动性能受到抑制.拉伸模拟结果表明,石墨烯能够提高聚乙烯材料的拉伸性能.在弹性区和屈服区,石墨烯阻碍了复合材料在垂直于拉伸方向的压缩变形,聚乙烯分子"吸附固化"结构保持稳定,引起体系整体应力的迅速升高.在软化区,由于石墨烯发生剧烈弯曲,"吸附固化"结构发生破坏,最终引起体系应力迅速减小.在弹性区和屈服区,体系应变主要引起了非键相互作用的改变.在软化区之后,应变主要导致了体系内分子成键相互作用的改变.应变速率能够提高复合材料的屈服应力,而不改变复合材料应力应变的整体趋势.

Al_(x)CoCrFeNi拉伸力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了Al_(x)CoCrFeNi高熵合金(HEAs)在单轴拉伸下的微观组织演变、变形机制和力学性能,重点研究了Al摩尔比0.1至1.0时Al含量、高温和高应变速率对Al_(x)CoCrFeNi力学性能的影响。研究表明:Al摩尔比0.1至1.0时,常温环境下(300 K)屈服应力及应变随Al含量及温度的上升呈下降趋势。Al含量的增加导致HEAs会在更小的应变处开始屈服,更早进入屈服阶段,从而使HEAs更容易变形,力学性能降低。在300~1500 K环境下随着温度的上升,位错逐渐减少,不同位错之间的相互作用减弱,无法形成固定位错阻碍材料运动,导致材料强度下降。Al_(x)CoCrFeNi屈服应变、应力与应变速率变化呈正相关,且屈服应力对高应变速率敏感。