石墨烯各向异性和缺陷对铝基复合材料强化机制的影响

Graphenes, widely used to reinforce metal matrix, possess higher strengthening efficiency compared with conventional reinforcements and thus enable the related metal matrix composites to show excellent mechanical properties，especially graphenes reinforced Al metal matrix composites which develop so fast that they have been used firstly in aerospace area due to their mutual process. Nowadays, many papers attribute high strengthening efficiency found in graphenes reinforced metal matrix composites to strengthening mechanism based on interfaces and dislocation evolution. However, neither the interaction of dislocations and interfaces at atomic scale, nor the effect on strengthening mechanism of graphenes' anisotropy in metal matrix and of flaws usually found in the top layer of graphenes after processing, are clear. These are the fundamental theory about how to optimize the design of material structure and to improve strengthening efficiency, which falls behind and thus restricts improvement of mechanical properties and long-term development of metal matrix composites. This program models nanoindentation into graphenes reinforced Al metal matrix composites employing molecular dynamics simulations, focuses on the atomic interaction of dislocations and interfaces, explains strengthening mechanism in detail systematically, and provides theory about how to utilize anisotropy and flaws involved in graphenes to optimize structure and improve properties in graphenes reinforced metal matrix composites.

石墨烯被广泛用于增强金属基体，比传统增强相具有更高的强化效率，进而展现出优异的力学性能；尤其是铝基复合材料，由于其工艺成熟，率先应用到航空航天领域，发展迅猛。现有研究表明金属基复合材料中石墨烯优异的强化效率来源于基于界面和位错运动的强化机制。但是微观原子尺度上位错和界面之间的交互作用机理，及金属基体中石墨烯的各向异性和石墨烯表层由制备过程造成的碳空位和碳环缺失等缺陷对强化机制的影响，都尚不清楚。而这些是优化设计材料结构进而提高石墨烯强化效率的理论基础，其发展滞后严重制约了金属基复合材料的力学性能提升和长期发展。本项目将以石墨烯增强铝基复合材料为研究对象，使用分子动力学模拟其纳米压痕过程，聚焦微观原子尺度上位错和界面之间的交互作用，从石墨烯各向异性和缺陷的角度，系统全面揭示石墨烯强化机制，为充分利用石墨烯各向异性和缺陷进而实现石墨烯增强金属基复合材料的结构优化和性能提升提供理论依据。

石墨烯被广泛用于增强金属基体，比传统增强相具有更高的强化效率，进而展现出优异的力学性能。现有研究表明金属基复合材料中石墨烯优异的强化效率来源于基于界面和位错运动的强化机制。但是微观原子尺度上位错和界面之间的交互作用机理尚不清楚，严重制约了金属基复合材料的力学性能提升和长期发展。本项目使用分子动力学模拟和第一性原理，并与实验合作研究了石墨烯层数、各向异性、尺寸和缺陷对界面性质及强化机制的影响，主要结果如下：.1.和单层石墨烯相比，多层石墨烯间的相互作用能够阻碍位错的滑移以及铝晶受位错影响导致的变形从而增强复合材料韧性；石墨烯六方面界面能够存储并释放位错，同时石墨烯层间面及其柔韧，位错运动产生的无序Al原子能够进入石墨烯层间，但是石墨烯无任何缺陷产生；较大缺陷面积会削弱石墨烯对铝基体的强化效果，不利于石墨烯/铝基复合材料力学性能的提升。.2.分子动力学模拟研究了铝基复合材料中石墨烯片的尺寸效应，并揭示了尺寸效应的内在机理。基于纳米压痕过程中位错-界面相互作用的强化机制，在压痕过程中随着压痕深度的增加可以分为三个阶段：塑性变形影响主要作用于Al基体；压痕力随着石墨烯层尺寸减小到 30 Å而增加，主要是因为位错成核；压痕力随着石墨烯层尺寸的增加而显著增加。基于强化效果考量，在金属基复合材料中石墨烯增强相存在一个最佳尺寸，这主要是石墨烯对位错运动阻碍带来的强化与石墨烯释放位错及传递载荷带来的软化互相竞争导致的。.3.采用第一原理计算和分子动力学，和实验紧密合作，深入研究界面与位错的交互作用及其强化机制，分析受阻位错间产生背应力对复合材料加工硬化的影响，揭示了缺陷石墨烯与金属间界面成键增强复合材料稳定性的内在机理，在此基础上提出了一种可以同时提高金属纳米复合材料强度、韧性和稳定性的新方法。