多层石墨烯杨氏模量的分子动力学研究
多孔石墨烯的制备与应用研究进展
多孔石墨烯的制备与应用研究进展白瑞; 牛永安; 刘皓; 卢翠英; 高平强; 刘丽娜【期刊名称】《《河南科学》》【年(卷),期】2019(037)009【总页数】7页(P1408-1414)【关键词】石墨烯; 多孔石墨烯; 制备方法; 应用【作者】白瑞; 牛永安; 刘皓; 卢翠英; 高平强; 刘丽娜【作者单位】榆林学院化学与化工学院陕西榆林 719000; 沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110000【正文语种】中文【中图分类】O646石墨烯［1-4］，一种由碳原子以sp2杂化形成呈六边形蜂巢晶格的二维碳纳米片层，作为碳家族（包括无定型碳、石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨炔等）中的一名新成员，因其具有独特的电子迁移性、超大的比表面积、高的机械强度、优异的耐腐蚀性和表面化学结构易调控性等特性而受到了广泛的关注，在微纳电子器件、吸附、催化、能量存储与转化等领域崭露头角［5-8］. 然而，原始的石墨烯相对来说价格昂贵、水溶性差、有效比表面积低、吸附能力和可回收性低，以及复杂的后处理限制了它们的实际应用. 因此，许多研究者受石墨烯优异性能的启发，对石墨烯相关材料进行了广泛的实验和理论研究.石墨烯被视为构建其他sp2碳质材料的基本结构单元. 通过石墨烯的组装获得石墨烯相关材料不仅能实现对石墨烯微观结构和宏观织构的调控，同时也能衍生出独特的新性质，将会极大拓展石墨烯的应用范围［9］. 因此，越来越多的学者开始研究如何通过石墨烯的结构组装来控制材料形貌和内部架构，从而达到满足各种应用的目的. 多孔石墨烯［10-11］在这种背景下应运而生.1 多孔石墨烯的制备多孔石墨烯是一类具有纳米级孔结构的石墨烯相关材料［12］. 近年来，为了满足不同应用的需要，人们致力于开发各种形貌、结构和性能的多孔石墨烯的合成方法. 目前一般将其制备方法分为自组装法、模板辅助法和直接沉积法三大类［13］. 1.1 自组装法自组装法是获得三维多孔石墨烯最常用的策略之一. 目前已经开发了许多基于该策略的方法. 自组装法［14］是指基本结构单元（分子、纳米材料、微米或更大尺度的物质）在一定条件下自发形成有序结构的一种技术. 在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构.但是，石墨烯液相分散性差、化学活性低，因此以石墨烯为原料的进行自组装存在一定的困难. 作为石墨烯重要的衍生物（氟化石墨烯［15-16］、氢化石墨烯［17-18］和氧化石墨烯［19-20］）之一——氧化石墨烯，由于其片层之间的范德华吸引力与其表面官能团的静电排斥力之间存在力平衡，这使得氧化石墨烯在水性溶剂中很好地分散.与石墨烯相比，氧化石墨烯克服了上述缺点，是实现石墨烯自组装的优选材料. 通过氧化石墨烯分散体的凝胶化过程和后还原过程来产生三维多孔石墨烯网络状结构是最典型的自组装方法. 目前引发氧化石墨烯分散体凝胶化的方法很多，如加入交联剂（如PVA、DNA、金属离子、聚合物及有机分子等）、加入弱还原剂（如硼氢化钠、柠檬酸钠、维生素C、氢碘酸等）改变分散体系的pH或者对分散体进行超声波处理［21］. 除了凝胶化这一基本方法外，氧化石墨烯片层的自组装还可以通过冷冻干燥法、电化学沉积法、流延成型法、真空抽滤法和溶胶凝胶法等其他方法实现. 然后通过水热法或者化学还原法获得还原石墨烯（rGO）结构的三维多孔石墨烯. Kumar［22］等采用一锅微波法合成了三维Fe3O4/rGO杂化材料，如图1所示. 研究表明这种杂化材料的三维网状结构是由Fe3O4纳米粒子诱导形成的，且该材料具有优异的电化学性质，比电容达455 F/g、扫描速度达8 mV/s以及良好的循环稳定性.图1 一锅微波法合成三维Fe3O4/rGO杂化材料流程图［22］Fig.1 The procedure of Fe3O4/rGO composite materials synthesized by one-pot microwave approach［22］1.2 模板辅助法模板法是制备微孔或中孔最有效的途径之一. 与自组装法相比，采用模板辅助法可以更准确地控制多孔石墨烯的微观形貌和孔结构尺寸. 目前已经报道的制备多孔石墨烯的模板辅助法有化学气相沉积（CVD）法、冰模板法、高分子聚合物法、水滴模板法等.Li［23］以NiCl2·6H2O作为多孔Ni骨架的催化剂前躯体，在600 ℃、Ar/H2气氛中还原前躯体形成3D多孔交联的Ni骨架，以多孔Ni骨架为模板，使用甲烷为碳源，采用快速CVD法在几秒钟到几分钟内进行高效生长，在生长过程中经高温退火，最后通过在FeCl3/HCl溶液中刻蚀掉模板制备了高密度的多孔石墨烯（3D-GMO），如图2所示. 这种3D-GMO具有高电导率（12 S/cm）、大比表面积（560 m2/g）以及对重金属离子具有超高的吸附容量（Cd2+434 mg/g、Pb2+882 mg/g、Ni2+1683 mg/g、Cu2+3820 mg/g）和快速解析的特点. 另外，泡沫镍、阳极氧化铝（AAO）、MgO、金属纳米结构甚至金属盐也可作为模板制备3DGM.图2 商业镍泡沫生长石墨烯和多孔交联镍生长石墨烯的比较［23］Fig.2 Comparison between commercial Ni foam-grown graphene and our porous cross-linked Ni-grown graphene［23］注：a，b是泡沫镍去除前后；c，d多孔交联镍刻蚀前后.此外，还可以另一种方便的方式获得三维多孔石墨烯. 通过将氧化石墨烯片组装到3D模板上，然后将氧化石墨烯还原为还原石墨烯. 目前已经发展了许多组装技术，如电泳沉积、浸渍涂覆、高压釜回流模板辅助冷冻干燥等. 这些方法中使用的模板除了金属基底还可以是非金属基底，已报道的非金属包括二氧化硅纳米颗粒（NPs）、聚苯乙烯（PS）微球、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球、Nafion支架、纤维素和纺织纤维等都可以作为制备了三维多孔石墨烯的模板［24-25］.图3 模板法制备的三维空心碳结构的过程Fig.3 The procedure for the preparation of three-dimensional hollow carbon structures by template methodHan［26］等报道了一种具有高效吸附性能的三维多孔石墨烯材料的制备方法. 通过采用模板辅助冷冻法和热还原法制备了具有优异热稳定性和大比表面积的亚微米级多孔石墨烯材料. Moon［27］等报告了一种合成良好控制的三维碳纳米结构方法，如图3所示. 他们采用氧化石墨烯为原料、球形的氧化铝包覆二氧化硅（ACS）为模板，通过氧化石墨烯在ACS的氧化铝催化位点聚合，然后在高温900 ℃、Ar 气氛下碳化形成石墨烯填充球形模板周围的复合物，最后HF刻蚀获得了三维空心碳机构的方法. 他们还发现根据氧化石墨烯的含量可以系统地调整复合材料的形貌（从层状复合材料到三维中孔结构，再到微孔材料）. 由此获得的高比表面积和高孔隙率的复合材料在高电流密度下能显著提高其电容.1.3 直接沉积法通过在导电衬底上直接沉积获得三维多孔石墨烯结构是一种简单的方法. 目前已经有研究者采用等离子体技术在金和不锈钢衬底上进行直接沉积，获得了牢固附着在衬底上的三维多孔石墨烯. 这种多孔石墨烯在片层边缘有众多的活性位点适合于传感应用. Mao［28］等制备了一种生物传感器，该生物传感器由在金电极上垂直生长的石墨烯片和抗体偶联物组成，可以提供免疫球蛋白2 ng/mL的低检测限. 此外，具有设计特征的金属衬底也可以容易地控制三维多孔石墨烯结构，这可能使得能够针对不同的应用构建各种传感器结构.除上述三类办法外，在最近的一项工作中，Niu［29］等采用所谓的“发酵”策略，类似于烘焙面包的过程来制备多孔石墨烯膜，其中致密的氧化石墨烯膜充当“面团”的作用. 采用AAO（氧化铝）膜过滤氧化石墨烯分散液，然后从AAO膜上剥离获得氧化石墨烯薄膜. 然后在90 ℃高压釜中放置10 h后，还原石墨烯膜上形成大量气孔，这是由于GO的还原使气相物质从致密膜中快速释放. 由于石墨烯的多孔结构和疏水性，与没有孔结构的石墨烯膜相比，该多孔石墨烯膜对有机溶剂如机油和石油的吸附能力有所提高.2 多孔石墨烯的应用2.1 超级电容器超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、快速充放电等优点，具有广阔的应用前景［30］. 活性炭、碳纳米管、石墨烯等材料以其低成本、高导电性、高比表面积等特点被广泛应用于超级电容器电极的构造. 但是，由于π-π层叠的相互作用和范德华在基平面间的吸引，氧化石墨烯或石墨烯片趋向于形成层叠石墨烯结构，导致其表面积的显著损失. 氧化石墨烯或石墨烯片的重新填充和聚集也阻碍了石墨烯材料在许多应用中的大规模使用和工艺，特别是用作储能器件，将导致电解质离子难以进入密集填充的石墨烯片材之间的间隙［31］.三维多孔石墨烯的独特性能和多孔结构不仅提高了电解质对电极表面的易接触性，而且为电极表面修饰的活性物质提供了导电通道，提高了电化学性能.为了改善三维多孔石墨烯超级电容性能，人们已经广泛地探索出了由具有高理论电容的电容材料（如金属氧化物导电聚合物）和三维多孔石墨烯组成的复合多孔石墨烯电极. 该复合电极具有较高的比容量和能量密度以及具有较好的倍率性能和较长的循环寿命［32］. 复合材料的超级电容器性能的提高通常来自于石墨烯和其他组分的协同作用. 具体为：首先，电容材料不仅对整个复合电极产生伪电容，而且还起到了隔离材料的作用. 石墨烯片之间的间隙，导致电解液对电极的可获得性的提高. 第二，互连的石墨烯片为复合材料提供导电通道，使得复合材料中的电荷传输迅速，并且在高充放电电流密度下保持了电极的良好性能［33］.2.2 气体分离净化从当前研究水平和技术水平来看，无论是科学研究还是工业应用，对高纯气体（如He、Ar或H2等）需求量很大. 与传统的气体分离方法（如低温蒸馏、变压吸附）相比，膜分离具有较低的能源成本、对使用规模要求低并且具有较少的机械复杂性［34］. 气体膜分离的原理是根据不同气体的扩散速率差异进行的. 目前已开发的各种传统膜，包括金属、沸石、聚合物等［35-36］，其膜厚度范围在10～103 nm. 但是，膜的透过性与它的厚度成反比，这在一定程度上制约了其分离性能. 只有一个原子厚度的石墨烯被认为是理想的膜分离材料［37］.但是，即使是最小的气体原子氦，完美的石墨烯也是不可渗透的（因为密集填充的蜂窝状晶格足够防止任何原子和分子穿过它）. 为了探索石墨烯潜在的高渗透性，在石墨烯中引入孔隙是必要的. Bieri［38］等成功合成聚苯型多孔石墨烯，这种多孔石墨烯只有一个原子厚度、具有按规律排布的孔以及均匀的空隙大小，在气体净化中开始应用.2.3 储氢材料氢气作为可再生能源具有储量丰富、清洁、高效的特点而备受关注，预计在未来将是主要能源. 但是，氢气制造业面临的最大挑战是寻找一种安全有效储氢材料. 石墨烯具有高体积密度，氢气分子可以吸附在石墨烯的两侧［39］. 但是，在石墨烯片层和氢气之间范德华力相互作用比较弱，这会导致其储氢性能下降. 引入杂原子，特别是金属原子被认为是一种增强石墨烯片层和氢气相互作用的方式［40］. 多孔的石墨烯有助于避免金属聚集现象产生. Du［41］等研究者采用第一原理计算研究Li修饰的多孔石墨烯的储氢性能，并预测金属修饰多孔石墨烯是一种有前途的储氢材料. Reunchan［42］采用第一原理计算研究了不同金属原子在多孔石墨烯吸附氢分子（H2）中的作用. 对每个金属原子在多孔石墨烯中的结合位点和结合能进行研究计算，结果表明H2在碱金属、碱土金属或过渡金属分别修饰的多孔石墨烯介质表现出不同吸附特性. 其中钙修饰的多孔石墨烯被认为是大容量储氢材料. Ao［43］将铝修饰多孔石墨烯作为储氢材料对其进行密度泛函计算. 结果表明，铝修饰的多孔石墨烯的储氢容量为10.5 wt%，氢吸附能从1.11 eV降低到0.41 eV，在常压下氢气可实现有效的存储/释放. 此外，该研究还发现由于不同吸附位点的吸附能量不同，氢气可以分三个阶段逐渐释放，这在实际储氢应用中是理想的. 并且通过对体系的原子电荷、电子分布和态密度的分析研究，剖析了铝原子修饰的多孔石墨烯改善储氢性能的机理.2.4 DNA检测快速、低成本、可靠的DNA测序是近年来人们最受好评的创新之一，它可以为高通量、无标记、廉价的个性化基因组测序技术铺平道路［44］. 生物纳米孔材料与传统材料相比由于具有使用成本低、分辨率高、操作简单等优点有望成为下一代DNA测序的有力工具. 已报道的研究发现单链RNA和DNA分子在电场作用下可以通过纳米通道以及四种DNA碱基或核苷酸在纳米孔中不同程度地阻碍了离子电流，导致测量电流下降的现象［45-46］. Schneider［47］等也证实了随着电流变化，单个DNA分子会通过纳米孔时迁移. 这些开创性的基础研究为纳米孔相关DNA测序奠定了坚实的基础. 导电性能好、机械强度高的含有纳米级孔的石墨烯可被用于DNA分子的检测［48-49］. Yu［50］课题组采用全原子分子动力学模拟方法研究了四种不同DNA链在功能化石墨烯纳米孔中的易位行为. 结果发现当四种DNA碱DNA碱基通过氢化孔和羟基化孔时，它们可以通过不同的离子电流来识别. 对于氢化纳米孔，四个碱基的离子电流差异主要归因于碱基和离子之间不同的静电相互作用. 对于羟基化纳米孔，除了静电相互作用外，核苷酸在纳米孔内的位置和离子在核苷酸周围的停留时间也对离子电流起重要作用. Prasongkit［51］等提出使用石墨烯中的线缺陷来改善基于纳米孔的DNA测序装置中的核糖核酸酶的选择性. 他们使用量子力学/分子力学和非平衡格林函数相结合的方法来研究电导调制. 通过大量从分子动力学模拟中产生的不同取向的采样研究，从理论上证明了基于石墨烯的电子器件利用线缺陷来区分四个核苷酸酶是可能的. 该研究有助于今后更好地设计一种新的DNA测序装置.3 结语三维多孔石墨烯材料已被证明具有广阔的研究价值. 到目前为止，已有一系列结构不同、功能各异的三维多孔石墨烯被报道. 这些新型材料不仅保留了单个二维石墨烯片的固有特性，而且也探索了多孔石墨烯实际应用的可能性. 但是，多孔石墨烯的可控制备和推广应用方面仍存在不少技术瓶颈，有一些关键问题尚未解决. 未来面对的挑战有：①如何精确控制多孔石墨烯的孔隙形貌；②不同孔隙的协同作用可使多孔石墨烯材料发挥优势，因此如何控制不同的空隙（即微孔、中孔和大孔）组合对多孔石墨烯是至关重要的；③多孔石墨烯制备原料内容单一，目前主要致力于制备具有无机和碳组分的多孔石墨烯. 这些问题在一定程度上限制了其实际应用领域的扩展. 基于当前的研究工作显示，挖掘多孔石墨烯的非凡潜力并不是很难的事情. 随着科学技术的不断发展和探索，合成具有可控孔结构的多功能多孔石墨烯材料必将成为石墨烯材料的研究热点. 而且，多孔石墨烯材料在能量转换和存储设备中各项性能优良，我们相信这些设备的商业化会在不久的将来实现.【相关文献】［1］ NOVOSELOV K S，GEIM A K，MOROZOV S V，et al. 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动力学法测杨氏模量实验报告
动力学法测杨氏模量实验报告1. 实验背景在材料科学的世界里，杨氏模量可是个大人物，它衡量着材料在受力时的变形能力。
简单来说，杨氏模量就像是材料的“硬气程度”，越大表示材料越不容易变形。
这次，我们就用一种叫做动力学法的实验，来测量一些材料的杨氏模量。
你可能会想，测量这个有什么用呢？想象一下，如果你在搭建一个秋千，没算好材料的强度，结果秋千在你朋友刚坐上去的时候就咔嚓一声断了，那可就丢脸了，所以，了解这些材料的性质是非常重要的。
2. 实验目的2.1 了解杨氏模量的概念首先，我们得搞明白杨氏模量到底是个啥。
它是一个物理量，表示材料在外力作用下的应变与应力的比值。
通俗点说，就是在受到一定的力量时，材料伸长或压缩的程度。
想象一下，你用手捏一根橡皮筋，它会变长，但一旦松开又会恢复原状，这就是材料的弹性。
2.2 学习动力学法的基本原理动力学法测量杨氏模量，其实就是通过观察材料在震动下的行为来获取数据。
这种方法就像是让材料在“跳舞”，通过分析它的舞步来判断它的性格。
我们会让材料受到一个周期性的外力，然后测量它的振动特性，进而计算出杨氏模量。
3. 实验步骤3.1 准备工作好啦，实验正式开始！我们先准备一些材料，比如说铁丝、橡皮筋和一根木棍。
接着，找一根长度合适的悬挂物体，最好是个小重物，像个矿泉水瓶之类的。
别忘了，实验室的秤和尺子也是必不可少的哦！这可不是小打小闹，而是认认真真的科学实验。
3.2 实际操作首先，把材料固定好，然后在材料的一端悬挂重物，看看它会发生什么。
嘿！这时候材料会有点“变形”，就像你被同学拉着去做操，可能会扭扭捏捏一下。
接着，我们用尺子测量材料的长度变化，再用秤子记录重物的重量。
这里有个小窍门，尽量让重物的重量逐渐增加，像慢慢加重压在心上的学业压力，直到材料的表现让你刮目相看！之后，记录下所有的数据，算出每一次施加重物时，材料的应力和应变。
把这些数据整理好，就像整理你的考试笔记，清清楚楚，明明白白。
石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展
石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维晶体材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，其独特的物理和化学性质引起了全球科研人员的广泛关注。
石墨烯以其超高的电导率、热导率、强度以及优良的摩擦学性能，在众多领域展现出巨大的应用潜力。
特别是在摩擦学领域，石墨烯及其基复合润滑材料的研究，对于提高机械部件的运行效率、降低能耗、延长使用寿命等方面具有深远的意义。
本文旨在全面综述近年来石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展。
我们将从石墨烯的基本性质出发，深入探讨其摩擦学特性，包括摩擦系数、磨损率等关键指标。
随后，我们将重点介绍石墨烯基复合润滑材料的制备工艺、性能优化及其在实际应用中的表现。
本文还将对石墨烯在摩擦学领域的未来研究方向和应用前景进行展望，以期为相关领域的科研工作者和工程师提供有益的参考和启示。
二、石墨烯的摩擦学特性石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，自其被发现以来，便因其独特的物理和化学性质引起了摩擦学领域的广泛关注。
石墨烯的摩擦学特性主要表现在其超常的力学性能和极低的摩擦系数上。
石墨烯的力学性能卓越，其杨氏模量高达0 TPa，抗拉强度约为130 GPa，这使得石墨烯在承受压力时表现出极高的稳定性。
因此，在摩擦过程中，石墨烯可以作为有效的承载层，减少摩擦界面的磨损。
石墨烯具有极低的摩擦系数。
研究表明，石墨烯在多种材料表面上的摩擦系数都低于1，甚至在某些条件下可以达到超低摩擦状态。
这种低摩擦特性使得石墨烯在润滑材料领域具有巨大的应用潜力。
石墨烯还具有出色的热稳定性和化学稳定性，这使得它在高温、高湿、高腐蚀等恶劣环境下仍能保持稳定的摩擦性能。
因此，石墨烯不仅可以在常规条件下作为润滑材料使用，还可以在极端条件下发挥出色的润滑效果。
然而，尽管石墨烯具有诸多优点，但在摩擦学应用中也存在一些挑战。
例如，石墨烯的层间剪切强度较低，容易在摩擦过程中发生滑移，导致摩擦系数的波动。
石墨烯复合材料研究进展
石墨烯复合材料研究进展摘要：近年来石墨烯因其优良的力学、电学、热学和光学等特性, 且添加到基体材料中可以提高复合材料的性能，拓展其功能，因此石墨烯复合材料的制备成为研究热点之一。
本文介绍了国内外对石墨烯复合材料的研究，对石墨烯复合材料的研究进展及现状进行了详细的介绍，并对石墨烯复合材料的发展趋势进行了展望。
关键词：石墨烯；复合材料；研究进展一、引言石墨烯因其优异的物理性能和可修饰性, 受到国内外学者的广泛关注。
石墨烯的杨氏模量高达1TPa、断裂强度高达130GPa，是目前已知的强度性能最高的材料，同时是目前发现电阻率最小的材料, 只有约10-8Ω·m；拥有很高的电子迁移率，且具有较高的导热系数。
氧化石墨烯作为石墨烯的重要派生物，氧化石墨烯薄片在剪切力作用下很容易平行排列于复合材料中, 从而提高复合材料的性能。
本文总结介绍了几种常见的石墨烯复合材料。
二、石墨烯复合材料（1）石墨烯及氧化石墨烯复合材料膜聚乙烯醇（PVA）结构中有非常多的羟基，因此其能与水相互溶解，溶解效果很好。
GO和PVA都可以在溶液中形成均匀、稳定的分散体系。
干燥成型后，GO在PVA中的分散可以达到分子水平，GO表面丰富的含氧官能团可以与PVA的羟基形成氢键，因此添加少量的GO可以显著提高复合材料的力学性能。
樊志敏[1]等制备出了氧化石墨烯纳米带/TPU复合膜。
通过机械测试显示，当加入氧化石墨烯纳米带的量为2%时，复合薄膜的弹性模量和抗拉强度与不加氧化石墨烯纳米带的纯TPU薄膜相比都得到了非常大的提高，分别提高了160%和123%。
马国富[2]等人发现，在聚乙烯醇（PVA）和氧化石墨烯（GO）复合制备的得复合薄膜中，GO均匀的分散在PVA溶液中，PVA的羟基与GO表面的含氧基团发生相互作用复合而不分相。
加入GO之后，大大提高了复合膜的热稳定性，当加入的GO量为3%时，纳米复合膜力学性能测试出现最大值，此时断裂伸长率也出现了最大值，这表明在此GO含量时复合膜有最佳性能；与不加GO的纯PVA膜相比，当加入的GO量为3%时，耐水性也大大地提高。
晶体缺陷对材料性能的影响现状研究
晶体缺陷对材料性能的影响现状研究摘要:在理想完整的晶体中，原子按照一定的次序严格的处在空间有规则的、周期性的格点上。
但在实际晶体中，由于各种各样的原因，原子排布不可能那样完整和规则。
这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，它破坏了晶体的对称性。
同时缺陷的存在会对晶体产生或多或少的影响，本文着重研究了各类缺陷对材料性能的影响，收集了大量知名学者的研究成果，为之后的系统研究晶体缺陷奠定了基础。
关键词：晶体缺陷；空位；材料性能Effect of crystal defects on material researchAbstract: In an ideal complete Crystal atoms according to a certain order of strict rules in space, periodic lattice. But in the actual Crystal, due to various reasons, Atomic configurations cannot be so complete and rules. These complete deviation of the periodic lattice structure is the defects in the Crystal, it destroys the symmetry of the Crystal. Also will have more or less effect on crystal defects exist, this paper focuses on the influence of defects on the properties of materials, collected a large number of well-known scholars ' research results, laid the groundwork for systematic study of lattice defects.Key words: crystal defects; vacancy; material properties晶体结构中质点排列的某种不规则性或不完善性。
石墨烯热导率的分子动力学模拟研究
石墨烯热导率的分子动力学模拟研究石墨烯是一种含有碳原子的二维晶体材料，由于其独特的结构和性质，应用前景极为广泛。
其中，石墨烯的热导率是其最为突出的特性之一。
为了更好地理解石墨烯的热导率行为，科学家们运用分子动力学模拟技术进行研究。
分子动力学模拟是一种通过计算机模拟分子运动和相互作用的技术。
研究者可以通过这种技术来观察原子和分子之间的相互作用和能量转移过程，从而揭示宏观世界背后的微观基础。
在石墨烯热导率的分子动力学模拟研究中，研究者们使用计算机模拟石墨烯中的原子和分子之间的相互作用，以及热能的传输情况。
模拟过程中，研究者需要输入一系列参数，比如温度、石墨烯的尺寸、原子间的相互作用力等等，以便计算机能够模拟出这些原子和分子的运动轨迹。
通过分子动力学模拟，研究者们发现石墨烯的热导率与其结构、温度以及缺陷有着密切的关系。
在研究中，研究者通过引入不同数量和类型的缺陷，比如单个原子缺失、碳-碳键断裂等，来观察这些缺陷对石墨烯热导率的影响。
结果显示，石墨烯的热导率受其结构的影响较大。
石墨烯的结构可以分为“armchair”和“zigzag”两种形态。
在“armchair”形态下，石墨烯的热导率较高，而在“zigzag”形态下热导率较低。
此外，模拟研究还发现，石墨烯的热导率随着温度升高而降低，并呈现出非线性的关系。
在石墨烯热导率的分子动力学模拟研究中，研究者们还观察到了一种有趣的现象，即石墨烯的热导率受到边界的限制。
当石墨烯边界封闭时，即石墨烯的尺寸很小，热导率较低。
而当石墨烯边界开放时，即石墨烯的尺寸足够大时，热导率较高。
总之，利用分子动力学模拟技术对石墨烯热导率的研究，为我们更好地理解石墨烯的性质和应用提供了重要的基础。
未来，随着计算机技术的不断提高和发展，这种方法将在石墨烯等材料的研究和应用中发挥越来越重要的作用。
石墨烯材料应用现状及发展前景分析
石墨烯材料应用现状及发展前景分析张永明1邹静2（1西京学院理学院，陕西西安 710123；2陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）摘要：石墨烯材料是通过杂化的过程而形成的一种蜂窝状的晶体结构，具有的力学、热学、电学性能都表现出优异的特点，是当前研究所发现的性能最优异的材料。
在近几年来，因石墨烯材料所具的优异性能而被多个领域所关注，具有较为广阔的应用前景，已经被誉为21世纪革命性植被。
在技术不断发展下推动了石墨烯研究技术的创新，利用分子模拟技术可以指导石墨烯的研究过程，进而为各领域提供性能更优异的材料。
关键词：石墨烯材料；应用现状；发展前景DOI: 10.12184/wspcyycx2WSP2516-415523.20200408一、石墨烯材料的制备（一）石墨烯制备方法目前，在制备石墨烯时普遍采用两种方式：一是化学制备法、二是物理制备法，其中的物理制备法主要是从具有完备性的高晶格石墨中，或者是在相类似的材料中获取石墨烯，经测量获取的石墨烯尺度，都达到了80nm以上的数值；化学制备法是利用小分子合成的过程或者是采用溶液分离的过程而制备出石墨烯，经测量制备后的石墨烯尺度要显著低于物理制备法，只在10nm 以下。
在应用物理方法制备时含有四种方式：取向附生法制备、机械剥离法制备、爆炸法制备、加热SiC法制备，在应用化学方法制备时含有六种方式：热膨胀剥离法制备、石墨插层法制备、电化学法制备、氧化石墨还原法制备、电化学法制备、球磨法制备。
无论是物理制备法，还是化学制备法都具有不同的优点与不足，比如机械剥离法的制备过程较为简单，能够达到获取高品质石墨烯的目的，但是却存在着产量与产率低及重复性差的问题；溶液液相剥离制备法的制备过程较为简单，并且未对石墨烯的内原子结构产生破坏，但是却存在着效率低的不足，并且还存在着单片层与多层石墨烯共同存在的问题，不能实现有效分离石墨烯的目的；外延生长制备法能够获取出大面积的单层石墨烯，只是具有制备条件较为苛刻的问题，要在制备中应用高温与高真空的过程，并且不能实现从衬底处将石墨烯转移出来；化学气相沉积制备法可以达到获取出较为完整的石墨烯晶体结构，并且石墨烯的面积也较大，在透明电机与电子设备方面表现出较强的优势，只是产量不高且需要较高的成本，特别是石墨烯不能产生有效转移等。
石墨烯纳米带热导率的分子动力学模拟
第 2期
魏志勇, 等: 石墨烯纳米带热导率的分子动力学模拟
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渐达到其物理极限, 能够取代硅的新材料开始受到 人们的重视. 2004 年, G e im 等 [ 1] 用微 切割的方法 制备了石墨烯, 其优异的物理性质引起了研究者的 广泛关注. 理论计算表明, 单层石墨烯的弹性模量 在 700~ 1 000 GP a之间 [ 2] , 是普通钢材的 5倍. 室 温下, 电子在石墨烯中的传递速度比在硅中高一个 数量级, 达到了光速的 1 /300, 远远超过了在其他 材料中的传递速度 [ 3- 5] . 在传热 方面, K lem ens[ 6 ] 使用二维声子气模型估计出室温下单层石墨烯的 热导率为 4 000W / (m # K ); 最近, B alandin等 [ 7] 也 通过试验证实, 单层石墨烯在室温下的热导率高达 5 300W / (m # K ), 比传统热导率最高的材料金刚 石高出 1倍多. 对于石墨烯已进行了很多研究, 但 对于使用光刻石墨烯而获得的石墨烯纳米带, 其热 传递性质的研究还比较少, 很多文献主要关注的是 其低温下热传导的量子化效应. 例如, Sh i等 [ 8] 的 理论计算表明, 低温下石墨烯纳米带的热导是量子 化的; Lan等 [ 9] 进一步发现纳米带带边的结构能够 影响其量子化热导. 但以上研究都没有给出特定尺 寸的石墨烯纳米带结构的热导率值. 最近有研究者 提出 石 墨烯 纳 米 带是 理 想的 芯 片 互 联线 材 料 [ 10- 11 ] . 芯片互联线作为大规模集成电路的一部 分, 除了应具有较小的电阻外, 还应该具有较大的 热导率, 这样有助于增加热耗散, 快速降低集成电 路的工作温度, 提高器件的工作稳定性. 因此, 研究 尺寸受限的石墨烯纳米带的热导率特性对将来的
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湘潭大学毕业论文题目：关于多层石墨烯杨氏模量的研究学院：材料与光电物理学院专业：物理学学号： ***********名：***指导教师：***完成日期： 2014年5月17日摘要本文采用分子动力学（MD）方法，利用圆膜弹性理论，对独立式悬置圆膜石墨烯进行纳米压痕模拟获得石墨烯的杨氏模量，主要研究结果如下：1.根据扰度大小的不同，采用分阶段研究的方法，研究了多层石墨烯的杨氏模量。
在扰度较小的情况下，压头对薄膜形变的影响比较小，适用点加载理论，而在扰度较大的情形下，压头的大小对石墨烯形变的影响比较大，应考虑球形压头大小对杨氏模量计算的影响。
本文采用球形压头加载模式对扰度较大时的数据组进行了分析，得到了1、3、5层石墨烯的杨氏模量为1.00TPa、1.01TPa、1.03TPa。
2.分析了采用大扰度区间数据进行拟合的原因，提出点加载模型过渡到球加载模型时修正因子有待完善的观点。
3.分析了压头的半径的大小、圆膜尺寸的大小对薄膜杨氏模量计算值的影响。
数据结合理论分析，我们认为压头曲率半径和薄膜半径的选取对石墨烯杨氏模量值影响不大。
结合实验数据和理论上需要修正的因素得出石墨烯杨氏模量值与层数关系不大，均应等于块体石墨的杨氏模量值，为1.00TPa左右。
关键词：多层石墨烯；杨氏模量；修正因子；AbstractThis paper adopts molecular dynamics method (MD) and using circular membrane elastic theory to study the Young’s modulus of free standing circular membrane Multi-graphene. The main contents of this study are as follows:1.According to the different stages of the deflection, we make studies respectively. In small deflection, the indenter is little effect to the film deformation character, point indenter loading model is suitable for depicting the force loading; In larger deflection, the affection of the film deformation caused by indenter should not be ignored, and loading should be taken as spherical indenter loading model. We using larger deflection data sets and taken spherical indenter loading model, got the simulation number of Young's modulus values of 1,3,5 layers graphene are 1.00TPa, 1.01TPa, 1.03TPa.2.We analysis the reason why the dates of large deflection is much better to fitting the graph and we posed that correction factor from point indenter loading model to spherical indenter model could be consummate.3.Analyzes the impact on the calculate results by the radius of the indenters, the size of the membrane. And we got the impact is tiny.Taking the simulation results and theoretical correction account, we think the Young’s modulus of different layers are the same equal to the bulk graphite modulus 1.00TPa。
Key words: Multi-graphene. Young's modulus Correction factor摘要 (2)Abstract (2)第1章引言 (4)1.1 石墨烯与石墨烯的杨氏模量 (4)1.2 问题的提出与研究方法 (5)1.2.1 问题的提出 (5)1.2.2 研究方法 (5)1.3 本文的研究目标、内容及意义 (6)1.3.1 研究目标 (6)1.3.2 研究内容 (6)1.3.2 研究意义 (7)第2章多层石墨烯杨氏模量研究 (8)2.1 模型结构和理论分析 (8)2.2 模拟计算结果分析 (9)2.3 小扰度区间的数据分析 (11)2.4 大扰度区间的选取原因 (12)2.5 浅谈修正因子 (13)2.6 压头曲率半径和薄膜半径对模拟结果的影响分析 (14)第3章总结与展望 (16)3.1总结 (16)3.2展望 (16)参考文献 (17)致谢 (18)第1章引言1.1 石墨烯与石墨烯的杨氏模量石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构新材料，是由碳原子以sp2杂化组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是仅有一个碳原子厚度的二维材料。
石墨烯早期一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中剥离出石墨烯，证实其可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
二维的石墨烯薄膜具有块体材料无法比拟的非同寻常的力学性质，一般块体材料在随着厚度的减小后其力学性能会随之变差，而石墨烯薄膜却在到了原子层级别的厚度后仍然具有很好的强度和刚度。
所以，在纳米力学的应用方面,石墨烯是一种很有前景的候选材料。
石墨烯的力学性能在实验和理论上已经进行了大量的研究。
研究石墨烯力学性能的方法有多种，纳米压痕是比较常用的一种方法。
Lee和Wei[1]在实验上得出单层石墨烯的杨氏模量为1.0 ± 0.1 TPa. Frank[2]利用纳米压痕法测得石墨烯片（小于5层）的杨氏模量为0.5Tpa，保持恒定不变。
Jae-Ung Lee [3]等通过拉曼光谱分析发现单层和双层石墨烯的杨氏模量分别为 2.4±0.4和 2.4±0.5Tpa。
M Annamalai[4]等利用原子力显微镜测量悬浮纳米石墨烯器件提出了与Frank不同的观点，他们发现单层、双层、三层、五层石墨烯器件模量分别为1.12Tpa，3.25Tpa，3.25Tpa，3.43Tpa。
经过淬火处理后，他们发现双层石墨烯杨氏模量为0.78Tpa。
Li和 Chou[5]却发现杨氏模量的随着层数增加仅有微小的增加。
我们看到对多层石墨烯杨氏模量的研究由于不同的团队在实验上采用了不同的方法得出了不同的结论。
Bao和Zhu[6]采用分子动力学模拟的方法对一到五层石墨烯杨氏模量进行研究，得出各种层次的石墨烯的杨氏模量仅有细微的差别。
Zhang和Gu[7]采用分子动力学模拟的方法得出从单层到七层的石墨烯各自具有不同的杨氏模量，其数值在1.09到1.13TPa之间变化，与实验预期1.0 ± 0.1 TPa相符合。
总的来说，现有对多层石墨烯杨氏模量研究中，不同团队采用不同的实验方法以及不同的理论模型处理得出的实验结论不一致，在理论模拟方面可参考的数据又较少。
因此，我们认为对多层石墨烯杨氏模量的研究具有重要意义。
1.2 问题的提出与研究方法1.2.1问题的提出关于多层石墨烯的杨氏模量，在理论计算中采用不同的理论计算方法会得到不同的杨氏模量值，实验中采用不同的方法获得的多层石墨烯的数值跨度之大令人吃惊。
我们希望采用分子动力学对多层石墨烯杨氏模量进行研究，使有关问题能清晰一些。
本文旨在讨论如何选取适当的扰度区间，定性分析压头曲率半径和薄膜半径的选取对模拟结果的影响以及解决方法的未来展望。
1.2.2 研究方法1.2.2.1 理论根据根据U. Komaragiri 等[8, 9, 10]的点加载作用下独立式圆膜弹性理论，力-扰度的关系式为：330))(())((aah q E a ah F δδπσ+= (1.2.1)Begley 等[11]对新胡克材料（Neo-Hookean material ）的研究结果表明，在球形压头作用下，圆膜力-扰度的关系式可以表示为：4132430)(169)(3a R a Eh a R h F δπδπσ+= (1.2.2) Mueggenburg 等[12]在结合Begley 等[11]的球形压头弹性理论研究成果后，提出可以在点加载的弹性理论力-扰度的关系式中的一次项乘以(R/a )3/4, 三次项乘以(R/a )1/4来修正压头对薄膜形变的影响。
据此，针对我们的研究体系，可以得到球形压头作用下力-扰度的关系式如下：4133430)())(())()((a R a ah q E a R a ah F δδπσ+= (1.2.3) 其中，R 为球形压头的半径。
F 为压头加载的力的大小，δ是圆膜的中心扰度，0σ是圆膜的预应力，h 是圆膜的厚度，本文采用h =0.34nm ，等于石墨烯的层间距，165.0=ν[8, 9]为石墨烯的泊松比，98.0)16.015.005.1/(12=--=ννq 是与薄膜泊松比相关的函数[10]。
在圆膜弹性理论中不论压头对薄膜的作用被视为何种加载方式，均可以把力与中心扰度的关系写成：3δδd c F += （1.2.4）其中，F 为圆膜受到的作用力，δ为圆膜的中心扰度，c ，d 分别为一次项和三次项的系数。
在点加载模式中：h c πσ0= 23)(ah q E d = （1.2.5） 在球形压头加载模式中：430)(a R h c πσ= 4123)()(a R a h q E d = （1.2.6） 通过对力-扰度的曲线进行拟合分析，可以得到一次项的系数c 和扰度的三次项的系数d ，就可以通过（1.2.5）式或者（1.2.6）式对应的函数关系反解出E 和0σ，即可以得到薄膜的预应力的大小和杨氏模量的大小。