动态加载下石墨烯-金属复合材料的界面强韧化机制研究

Graphene is the strongest and thinnest material known to exist. Synthesizing graphene with common metal leads to strengthening, toughening and self-healing effect in composites. These properties facilitates the graphene-metal composites to show significant application prospects in various areas such as aerospace engineering, advanced materials, manufacturing engineering, biological medicine, etc. The interactions between graphene and metal is the key factor to determinate the mechanical properties of composites. However, there is still no consensus on the mechanical mechanism of this interfacial interaction, which is the bottleneck for the further design and application of graphene-metal composites. Combining the methods of molecular dynamics simulation, finite element calculation and theoretical analysis, this project investigates the out-of-plane and in-plane mechanical behavior of graphene-metal interface in composites under dynamic loading, which is aimed to propose the micromechanical mechanism of strengthening and toughening effect in graphene-metal composites. This project is supposed to achieve several significant breakthroughs and make our original contribution to the design and application of graphene-metal composites.

石墨烯是目前已知的世界上最薄、强度最大的材料。将石墨烯与常见金属材料复合，可以实现复合材料的增强、增韧、自修复。这些特性使得石墨烯-金属复合材料在航空航天、先进材料、机械制造、生物医学等领域表现出重要的应用前景。石墨烯与金属界面的相互作用对其复合材料的力学性能是重要的决定因素。然而，这一作用的力学机制目前仍然没有形成统一的认识，这极大限制了石墨烯-金属复合材料的进一步设计与应用。本申请项目拟采用分子动力学模拟、有限元计算和理论建模相结合的方式，研究动态加载下石墨烯-金属界面离面和面内力学行为，厘清石墨烯-金属复合材料强韧化的微观力学机制。本项目将力争取得一些突破性的研究成果，从而为石墨烯-金属复合材料的设计与推广应用做出原创性的贡献。

界面对石墨烯-金属复合材料的强韧化力学机理是当前材料设计的前沿课题，是固体力学、微纳米力学、界面物理力学、材料科学等多学科交叉的复杂问题。本项目针对该问题，从三个方面系统地研究了石墨烯-金属复合材料的离面和面内力学行为，研究了石墨烯-金属界面对该类复合材料的强韧化机理。第一，本项目研究了面内加载下石墨烯界面力学行为对复合材料力学性能的影响，发现石墨烯界面可以有效抑制金属基体内的位错成核和生长，该效应受温度的影响较大，且石墨烯和金属基体杨氏模量的差异会产生强烈的可变泊松比效应，通过改变石墨烯界面的拓扑结构即可对材料的塑性、强度和泊松比。第二，本项目研究了离面加载下石墨烯界面力学行为对复合材料力学特性的影响，我们发现石墨烯界面能够直接阻断金属基体中法向生长的位错，并消除位错生长点附近的应力集中，这使得该类材料在低周疲劳加载下迅速硬化，产生显著的抗疲劳效应，石墨烯“高面内强度—低离面刚度”的特性使复合材料产生明显的能量非局域化效应，进一步地，我们建立了典型加载条件下金属复合材料界面的多尺度力学模型，可以准确描述分子动力学模拟和参考文献实验结果。第三，本项目探索了三维石墨烯复合材料的优化设计，结果表明拓扑结构引起的界面效应对石墨烯-金属复合材料力学性能的影响最大，我们进一步研究了范德华力界面及共价键界面对复合材料力学性能的影响，并探索了三维化石墨烯复合材料的自底向上的优化设计。基于石墨烯-金属界面强韧化作用机理的认知，对指导制备出具有强韧化、自修复、抗侵彻、抗辐射的石墨烯复合材料至关重要，这在航空航天、军事防护、机械制造等重要应用领域有着重要的意义。同时，本项目提出的多尺度理论力学模型等研究方法还可为其他类似结构复合材料的设计与应用提供理论参考。