石墨烯/铝复合材料多尺度模型及其MD-PD耦合分析方法

Aluminum can be remarkably enhanced with a small amount of graphene, while the ductility is not affected. The graphene/aluminum composites produced by different technologies have different microscale structures and interfacial relationships, resulting in different strengthening and toughening effects. Based on molecular dynamics (MD) simulation results, a constitutive function for peridynamics (PD) method of aluminum is developed and validated. A multi-scale model of the graphene/aluminum composite, which includes macroscale region, microscale region, and transition region, is built based on the MD simulation results. The transition region is introduced as a messenger to transmit the force and movement information between the macroscale and the microscale regions. Dependence of the mechanical behavior and failure mechanism of the graphene/aluminum composites on their microstructure and interfacial properties are studied by performing multiscale simulations. The influence rule of the strengthening mechanisms on the macroscale mechanical properties of the graphene/aluminum composites is investigated. The discovered multiscale structure and the corresponding coupled MD-PD multiscale method reveal a seamless transition from atomistic scale to macroscale scale and provide an effective tool for the study of the graphene/aluminum composites.

在铝金属中加入少量石墨烯可以显著提高其强度和刚度，并保持其良好延展性。不同的制备工艺得到的石墨烯/铝复合材料具有不同的微观组织结构及界面关系，其增强增韧效果也表现不一。本项目在分子动力学（MD）模拟的基础上，建立铝金属的宏观近场动力学（PD）力本构函数；构建包含宏观区域、微观区域及过渡区域的石墨烯/铝复合材料多尺度模型，发展MD与PD耦合的多尺度模拟方法，在过渡区域进行力与位移信息传递；研究石墨烯/铝复合材料的变形、损伤与破坏行为，揭示强化机理及界面性能对复合材料宏观力学性能的影响规律，分析宏观力学性能与微观结构的内在联系。石墨烯/铝复合材料的多尺度模拟研究是促进其发展和应用的一个重要手段，研究结果将为材料设计提供重要的理论依据。

在铝金属中加入少量石墨烯可以显著提高其强度和刚度，并保持其良好延展性，推进了铝基复合材料的轻量化发展。然而，不同的制备工艺得到的石墨烯/铝复合材料具有不同的微观组织结构及界面关系，其力学性能也表现不一。.本项目以石墨烯/铝复合材料为研究对象，揭示了微观尺度强化机理与损伤机理，发展了多尺度模型与数值计算方法，并研究了宏观力学性能与微观结构的关联性。.在微观机理方面，利用分子动力学方法，揭示了石墨烯/铝复合材料的微观结构形成机制与强化机理。研究了石墨烯/铝复合材料的选择性激光熔融成型过程中的微观结构演变机制，分析了微观结构的形成演化机制，探究了石墨烯对复合材料结晶行为、相变温度、残余应力分布的影响；研究了石墨烯与铝金属之间的相互作用机制，揭示了复合材料在载荷作用下微观结构演变特征，探究了微观结构如扭转晶界、石墨烯自由边以及晶粒尺寸等对复合材料屈服行为的影响，为后续多尺度模型与模拟方法提供依据。.在多尺度数值计算方法方面，主要发展了分子动力学-近场动力学跨尺度方法及含内聚力单元的晶体塑性有限元模型。发展了分子动力学与近场动力学耦合的多尺度模拟方法，根据分子动力学模拟结果，并基于桥接区域方法，发展了耦合分子动力学与近场动力学的并发多尺度算法，提出了原子与材料点耦合的位移连续条件，进而根据拉格朗日乘子法推导出桥接区域内粒子的运动方程；发展了考虑晶粒尺度的晶体塑性有限元方法，研究了晶粒梯度铝的开裂机理，得到了晶内/界的内聚力参数；引入屈服强度的晶粒尺寸依赖性，利用开发的建模程序建立了可控石墨烯/铝微观结构模型，并结合晶体塑性有限元与内聚力模型预测其在不同微观结构下弹塑性力学性能和损伤行为。.根据上述，本项目采用多尺度方法研究石墨烯/铝复合材料的宏观力学行为与微观结构及界面性能的关联性，对石墨烯/铝基复合材料的增材制造发展及应用具有重要的理论指导意义。