金属夹芯双层石墨烯力学行为的多尺度研究

使用多尺度模型对金属夹芯双层石墨烯的力学行为进行系统研究。首先，基于原子尺度模拟方法，研究此种新型功能材料在各种外载荷作用下的变形行为，包括面内纵向拉伸载荷作用下的弹性变形、面内压缩载荷作用下的屈曲变形及中心集中力或边界弯矩作用下的弯曲变形，考察片层间距、温度及应变率变化等因素的影响，揭示其中独特的变形机制。然后对原子模拟的结果进行提取处理，结合连续体力学平板模型，对金属夹芯双层石墨烯的力学行为进行描述，发展准确高效的连续介质力学模型。本课题的研究结果不仅为建立纳米尺度下新型材料力学行为的多尺度理论模型提供参考，也为新型金属夹芯双层石墨烯材料在纳机电系统中的实际应用及基于此种材料的新器件开发提供科学依据和指导，具有理论研究和工程应用上的双重意义和价值。

本项目中基于计算机模拟方法，对新型碳纳米材料（包含双层石墨烯及金属填充碳纳米管复合结构）的若干变形和力学问题进行了计算力学研究，研究内容及取得的主要研究成果如下：.(1).双层石墨烯结构在面内拉伸载荷作用下的断裂行为和面内压缩载荷作用下的屈曲行为。由于扁平的几何结构和很薄的厚度，石墨烯的压缩稳定性很差，在很小的压缩应变时即发生屈曲。在面内拉伸载荷作用下，不论是扶手椅型还是锯齿型双层石墨烯，其杨氏模量和断裂应变均依赖于石墨烯手性和加载方向，表现出了明显的各向异性特征。而对扶手椅-锯齿混合手性型双层石墨烯而言，其变形无加载方向依赖性，且其断裂过程是分阶段发生的。另外，在不同的加载路径下，双层石墨烯也展现出了完全不同的力学行为，体现出了对加载路径的强烈依赖性。.(2).堆垛次序对双层石墨烯力学行为的影响。双层石墨烯中两组成单层石墨烯之间相互的堆垛次序会对双层结构的平衡构型及力学性能产生影响，如弹性常数、各向异性行为、断裂强度等。自由驰豫阶段，某一种堆垛次序双层石墨烯的平衡构型中存在明显的皱曲和面外变形。而另一种堆垛次序中则几乎不存在，且局部区域堆垛次序发生了转变。面内拉伸载荷作用下，不同堆垛次序双层石墨烯的断裂强度高于单层石墨烯，但杨氏模量和各向异性力学行为均弱于相应的单层结构。.(3).金属填充单壁碳纳米管在轴向拉伸和压缩载荷作用下的耦合扭转变形行为。结果表明，轴向应变与扭转变形之间的耦合仅会发生在手性型碳管中。由于管壁与内部填充金属之间的长程范德华相互作用，与对应的未填充管相比，手性型填充碳管的耦合扭转变形发生了反转，且其管径依赖性也完全不同。.(4).对铜完全填充单壁碳纳米管的扭转屈曲行为进行了系统性研究。结果表明，由于内部金属的填充，碳管的扭转刚度可大幅度提高。与相应空管相比，金属填充管的临界屈曲扭转角可提高2-4倍。另外，在手性型填充碳管中，扭转变形存在加载方向的依赖性，即扭转行为同时依赖于加载方向和碳管的手性。内部金属团簇的微结构可对填充碳管的变形产生强烈影响。