石墨烯力学性能研究进展
石墨烯材料的力学性能研究
石墨烯材料的力学性能研究石墨烯，一种由普通石墨通过化学剥离等方法得到的单层碳原子构成的二维材料，近年来备受科学家们的关注。
石墨烯具有惊人的力学性能，如高弹性、超高的拉伸强度和弹性模量等特点，使得它成为材料科学领域中的研究热点。
石墨烯的高弹性使其具备良好的抗拉性能。
根据研究，石墨烯的力学性能可达到理论极限。
其单层结构使得石墨烯具有很高的拉伸强度，据测算，其拉伸强度可达130 GPa，相当于其自重的200倍。
这种惊人的抗拉性能使得石墨烯可以应用于高强度材料的制备，如航空工程中的轻量化结构材料。
除了抗拉性能，石墨烯还具备超高的弹性模量。
弹性模量是材料在受力下形变的能力，能够衡量材料的刚性。
石墨烯的弹性模量可达1 TPa，相当于钢铁的2倍，且具有良好的保持性能。
这一特点使得石墨烯在纳米电子学领域的应用十分重要，如光学器件、传感器和纳米压力开关等。
石墨烯的高弹性还使其可以作为柔性触控屏幕、柔性电子和可穿戴设备等领域的理想材料。
此外，石墨烯还具有优异的化学稳定性和生物相容性，使其具有广泛的应用前景。
石墨烯可以在室温下承受高达8 MPa的氧化性酸和10 MPa的碱性条件，而不发生化学反应。
这种化学稳定性使得石墨烯可以被应用于酸碱电池、电解水等领域。
此外，石墨烯还具有良好的生物相容性，可以用于生物医学领域的药物递送和组织工程等。
尽管石墨烯在力学性能方面表现出色，但其实际应用还面临一些挑战。
首先，由于石墨烯具有单层结构，因此其在抗剪切应力下的性能相对较弱。
此外，石墨烯的制备和操纵困难，限制了其大规模应用。
石墨烯的制备方法需要高温高压或者复杂的化学处理，制备工艺成本高，限制了其在实际工程中的应用。
为了应对这些挑战，科学家们正在开展大量的研究工作。
有研究发现，在与其它材料复合制备的复合石墨烯中，可以提高石墨烯的剪切性能。
此外，研究人员还通过在石墨烯表面引入缺陷，使其形成可控的疲劳屈服和断裂机制，从而改善了其力学性能。
石墨烯增强铝基复合材料的研究进展
石墨烯增强铝基复合材料的研究进展1. 引言1.1 石墨烯增强铝基复合材料的研究背景石墨烯是一种二维晶格结构的碳原子薄膜，由于其独特的物理、化学和力学性质，被认为是一种具有巨大潜力的新型材料。
石墨烯具有极高的导热性、机械强度和化学稳定性，因此在材料科学领域备受关注。
铝及其合金由于具有较低的密度和良好的加工性能，在航空航天、汽车工业等领域有着广泛的应用。
传统铝材料在强度和硬度方面存在一定局限性。
为了克服传统铝材料的缺点，研究者们开始探索引入石墨烯来增强铝基复合材料。
石墨烯的加入不仅可以提高复合材料的力学性能，还可以优化其导热和电导特性。
石墨烯增强铝基复合材料成为当前研究的热点之一。
通过将石墨烯与铝基材料进行复合，可以有效提高材料的强度、硬度和耐磨性，同时减轻材料的重量，提高材料的导热性能。
石墨烯增强铝基复合材料被认为具有广阔的应用前景，对于推动材料科学领域的发展具有重要意义。
【字数：220】1.2 石墨烯在材料科学中的应用潜力1. 电子器件：石墨烯具有优异的电子输运性能，高载流子迁移率和高电导率，使其成为理想的电子器件材料。
石墨烯可以应用于场效应晶体管、光电探测器、透明导电膜等领域，为电子器件的性能提升提供了新的可能性。
3. 柔性电子：由于石墨烯的柔韧性和透明性，可将其应用于柔性电子领域，如柔性显示器、柔性传感器、可穿戴设备等。
石墨烯材料的应用为柔性电子产品带来了更广阔的发展空间。
石墨烯在材料科学中的应用潜力巨大，其优异的性能和特殊的结构使得其可以在多个领域发挥重要作用，推动材料科学的发展和创新。
对石墨烯的研究不仅有助于拓展其应用领域，还将促进整个材料科学领域的进步和发展。
2. 正文2.1 石墨烯增强铝基复合材料的制备方法石墨烯增强铝基复合材料的制备方法主要包括机械合金化、粉末冶金、湿法涂覆、化学气相沉积以及熔体混合等几种方法。
机械合金化是其中一种常用的方法，通过球磨或挤压将石墨烯与铝粉进行混合，使二者在微观层面有所聚集和弥散，从而增加界面结合强度。
混凝土中石墨烯应用研究
混凝土中石墨烯应用研究一、引言混凝土是一种广泛应用于建筑、道路和桥梁等领域的材料，但其力学性能和耐久性常常受到限制。
近年来，石墨烯作为一种新型的纳米材料，其出色的力学性能和导电性能引起了人们的极大关注。
本文将探讨石墨烯在混凝土中的应用研究，并分析其对混凝土力学性能和耐久性的影响。
二、石墨烯简介石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，具有出色的力学性能和导电性能。
其厚度仅为一个原子层，而且具有高度的柔韧性和强度。
石墨烯的导电性能是铜的200倍，热传导性能是铜的1000倍，这使得其在电子、光电、生物医学等领域具有广阔的应用前景。
三、混凝土中石墨烯的应用1. 石墨烯对混凝土力学性能的影响石墨烯具有出色的力学性能，将其添加到混凝土中可以提高混凝土的力学性能。
石墨烯的高强度、高模量和高韧性可以改善混凝土的抗压强度、弯曲强度和抗拉强度。
此外，石墨烯还可以增强混凝土的抗裂性能，减少混凝土的收缩和膨胀。
石墨烯的应用可以使混凝土更加耐久，延长混凝土的使用寿命。
2. 石墨烯对混凝土耐久性的影响混凝土的耐久性是其重要的性能指标之一，而石墨烯的应用可以显著提高混凝土的耐久性。
石墨烯可以防止混凝土的龟裂和渗水，抑制混凝土的腐蚀和氧化，延缓混凝土的老化和劣化。
此外，石墨烯还可以吸收环境中的有害物质，净化混凝土周围的环境。
四、石墨烯添加剂的制备方法石墨烯可以通过多种方法制备，包括机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法、水热法等。
其中，化学还原法是制备石墨烯添加剂的常用方法。
该方法利用还原剂将氧化石墨烯还原为石墨烯，并与混凝土材料混合，制备出石墨烯添加剂。
五、石墨烯添加剂的应用石墨烯添加剂可以与混凝土材料混合，形成石墨烯混凝土。
石墨烯混凝土可以用于建筑、道路和桥梁等领域，具有出色的力学性能和耐久性。
石墨烯添加剂的添加量一般为混凝土总重量的0.1%-0.5%，过多的添加会影响混凝土的性能。
六、石墨烯混凝土的性能测试石墨烯混凝土的性能测试包括力学性能测试和耐久性测试。
石墨烯制备方法的研究进展
石墨烯制备方法的研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子构成的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功制备以来，就因其独特的物理、化学和电子特性引起了全球范围内的广泛关注。
由于其出色的导电性、超高的热导率、优异的力学性能和潜在的大规模应用前景，石墨烯在众多领域如能源、电子、生物医学等都有着广泛的应用潜力。
然而，石墨烯的制备技术仍然是制约其大规模应用的关键因素之一。
因此，研究和开发高效、稳定、可规模化的石墨烯制备方法成为了当前科学研究的重要课题。
本文旨在全面综述石墨烯制备方法的研究进展，通过对各种制备方法的原理、特点、优缺点以及最新研究成果的详细分析和讨论，为石墨烯的大规模制备和应用提供理论支持和技术指导。
文章将首先介绍石墨烯的基本结构和性质，然后重点介绍目前主要的石墨烯制备方法，包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、碳化硅外延法等，并对各种方法的最新研究进展进行评述。
文章还将探讨石墨烯制备技术的发展趋势和未来研究方向，以期为石墨烯的进一步研究和应用提供有益的参考。
二、石墨烯制备方法概述石墨烯的制备方法众多，每一种方法都有其独特的优点和适用场景。
目前，主要的制备方法可以大致分为物理法和化学法两大类。
物理法主要包括机械剥离法、SiC外延生长法和取向附生法等。
机械剥离法是最早用来制备石墨烯的方法，其原理是通过使用胶带对石墨进行层层剥离，得到单层或多层的石墨烯。
这种方法制备的石墨烯质量较高，但产率极低，难以实现大规模生产。
SiC外延生长法是在高温和超真空环境下，通过加热SiC单晶使其表面分解出碳原子，进而在单晶表面生长出石墨烯。
这种方法制备的石墨烯面积大，质量好，但设备成本高昂，且制备过程复杂。
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，使碳原子以单层形式从钌表面析出，形成悬浮的单层石墨烯。
这种方法制备的石墨烯层数可控，但同样面临制备成本较高的问题。
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。
石墨烯在聚合物改性中的研究进展
石墨烯在聚合物改性中的研究进展石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有优异的导电性、热导性和机械性能，因此被广泛应用于各种领域。
在聚合物领域，石墨烯的引入可以显著改善聚合物的性能，提高其导电性、热导性和力学性能，因此受到了广泛的关注。
本文将就石墨烯在聚合物改性中的研究进展进行探讨。
一、石墨烯在聚合物中的引入方式石墨烯可以通过物理混合、化学修饰和共混等方式引入到聚合物中，其中物理混合是最为简单的方式，即将石墨烯与聚合物机械混合。
化学修饰是将石墨烯表面进行功能化处理，增强其与聚合物的相容性。
共混是将石墨烯与聚合物在一定条件下共同溶解，形成均匀的混合体系。
不同的引入方式会对聚合物的性能产生不同的影响，因此需要根据具体的应用要求选择合适的引入方式。
二、石墨烯对聚合物性能的影响1.导电性能石墨烯具有优异的热导性能，可以高效传递热量。
在聚合物中引入石墨烯可以提高聚合物的热导性能，改善其对热的传导和散热能力。
这对于一些特殊工程塑料和高性能复合材料的应用具有重要意义。
3.力学性能石墨烯具有优异的力学性能，具有很高的拉伸强度和模量。
在聚合物中引入石墨烯可以显著提高聚合物的强度和刚度，改善其耐热性和耐磨性。
石墨烯的引入可以大大拓展聚合物的应用领域，使其在汽车、航空航天等高端领域得到更广泛的应用。
在石墨烯与聚合物复合材料中，石墨烯与聚合物的相容性是影响材料性能的关键因素。
研究表明，通过对石墨烯进行表面改性处理，可以增强其与聚合物的相容性，提高两者间的相互作用力，从而获得更好的复合材料性能。
石墨烯的表面处理技术对于提高石墨烯与聚合物的相容性具有重要意义。
石墨烯与聚合物复合材料已经在许多领域得到了应用，例如电子器件、导电材料、航空航天材料等。
石墨烯聚合物复合材料在导电材料领域有着广阔的应用前景，可以用于制备柔性电子器件、传感器、导电塑料等产品。
石墨烯聚合物复合材料在汽车和航空航天材料领域也有着巨大的潜力，可以提高材料的轻量化、加工性能和耐热性能。
石墨烯增强铝基复合材料的研究进展
石墨烯增强铝基复合材料的研究进展石墨烯增强铝基复合材料的制备方法主要有湿法悬浮液制备、机械合金法和浸涂法等。
湿法悬浮液制备是通过在铝基复合材料悬浮液中加入石墨烯来制备的，可以获得高度均匀的石墨烯分散体系，但是制备工艺相对复杂。
机械合金法是通过高能球磨、热压等方法将石墨烯与铝粉混合制备的，可以获得较高的石墨烯含量，但是制备工艺相对耗能。
浸涂法是将石墨烯溶液浸渍在铝基材料上制备的，可以获得均匀一致的石墨烯涂层，但是石墨烯含量较低。
石墨烯增强铝基复合材料的力学性能主要通过石墨烯增强效应和界面反应效应来提高。
石墨烯具有优异的力学性能，可以有效增强铝基复合材料的强度和刚度，提高材料的抗拉强度、屈服强度和硬度等。
石墨烯与铝基材料之间存在界面反应效应，可以有效增强两者之间的结合强度，提高材料的力学性能。
石墨烯增强铝基复合材料的导电性能主要通过石墨烯的导电性来提高。
石墨烯具有高导电性能和低电阻率，可以使得铝基复合材料具有优良的导电性能。
石墨烯增强铝基复合材料可以应用于导电材料领域，例如电池集电极、导电接触材料等。
石墨烯增强铝基复合材料的研究进展已经取得了一定的成果。
一方面，研究人员通过不断优化制备工艺，提高石墨烯的分散度和含量，从而获得更好的力学性能和导电性能。
通过优化湿法悬浮液制备工艺，可以获得更好的石墨烯分散性和相互作用性，提高材料的力学性能；通过优化机械合金法制备工艺，可以获得更高的石墨烯含量，提高材料的导电性能。
研究人员还对石墨烯增强铝基复合材料的性能进行了深入研究。
通过力学性能测试和电学性能测试等方法，研究了石墨烯增强铝基复合材料力学性能和导电性能的变化规律，为进一步优化材料的性能提供了理论基础。
石墨烯增强铝基复合材料具有广阔的应用前景，在结构材料、导电材料等方面具有重要的研究价值。
通过不断深入研究石墨烯增强铝基复合材料的制备方法和性能调控机制，可以进一步提高材料的力学性能和导电性能，推动其在实际应用中的广泛应用。
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石墨烯力学性能研究进展*韩同伟‘贺鹏飞2,t骆英‘张小燕“江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江2120132同济大学航空航天与力学学院，上海2000923江苏大学化学化工学院，江苏镇江212013摘要石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体，是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料.由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景，石墨烯被认为是具有战略意义的新材料，近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿.本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法，重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展，主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性，石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测，石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用，最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望.关键词石墨烯，力学性能.分子动力学，缺陷1引言石墨烯(graphene)，又称为二维石墨片，是由单层碳原子通过共价键(碳5pz杂化轨道所形成的二键、二键)结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体11-21，如图1所示，于2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)首先发现[fll，是继富勒烯(Cso)和碳纳米管(CNTs)之后的又一种新型低维碳材料，其厚度仅为头发丝直径的20万分之一。
约为0.335 nm，是目前发现的最薄的层状材料.在石墨烯中，每个碳原子通过很强的0键(自然界中最强的化学键)与其他3个碳原子相连接，这些很强的碳一碳键致使石墨烯片层具有极其优异的力学性质和结构刚性.碳原子有4个价电子，每个碳原子都贡献一个未成键的兀电子。
这些兀电子与平面成垂直的方向可形成二轨道，二电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性.但这些面外离位的二键与相邻层内的二键的层间相互作用远远小于一个6键，即片层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片.石墨烯的碳基二维晶体是形成sp“杂化碳质材料的基元，它可以包裹起来形成零维的富勒烯(fullerene, Cso)，卷起来形成一维的纳米碳管(carbon nanotube, CNT)，层层堆积形成三维的石墨(graphite)，石墨烯是构建众多碳质材料的基本结构单元[[3J，如图2所示.由于独特的二维结构以及优异的晶体品质，石墨烯具有十分优异的电学、热学、磁学和力学性能fl-$1，有望在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量存储等领域获得广泛应用.石墨烯是零隙半导体，具有一般低维碳材料所无法比拟的载流子特性，是其备受关注的重要原因之一石墨烯成为凝聚态物理学中独一无二的描述无质量狄拉克一费米子(masslessDirac Fermions)的模型体系，这种现象导致了许多新奇的电学性质因此，石墨烯为相对论量子电动力学现象的研究提供了重要借鉴.研究还表明，石墨烯的热导率和机械强度(5kW}m-1}K-1和1.06 TPa)可与宏观石墨材料相媲美，断裂强度与碳纳米管相当f7-sl.此外，石墨烯为制备集超高导电、导热及机械性能等各种优越性能于一体的新型功能复合材料提供了一种理想的纳米填料[fl。
一’‘].因此，石墨烯被誉为新一代战略材料，近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿[2,1“一’51. 2009年12月，Science杂志将石墨烯研究取得新进展”列为2009年十大科技进展之一2010年10月，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁.诺沃肖罗夫因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得诺贝尔物理学奖，由此引发石墨烯新的研究热潮.本文主要介绍石墨烯在力学性能方面的最新研究进展，首先简要介绍研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法，然后重点综述石墨烯力学性能的最新研究进展，主要包括:(1)二维石墨烯的不平整性和稳定性;(2)石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测;(3)石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性;(4)原子尺度缺陷和掺杂等对石墨烯力学性能的影响;(5)石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用在此基础上，指出今后值得重视的若干研究方向.2研究石墨烯力学性能的方法纳米材料的力学行为是固体力学领域的重要科学问题，发展适用于低维纳米材料力学性能的预测及测试技术是当前固体力学研究领域的重要前沿课题.目前，对于石墨烯等原子厚度纳米薄膜，人们面临着从研究方法到研究内容等诸多方面的挑战与困难.研究石墨烯的力学性能，就研究方法而言，主要有实验测试、数值模拟和理论分析3种途径.关于实验测试方法，文献!16-18{对纳米材料力学性能、纳米薄膜等界面强度测试方法进行了总结评述.然而，由于石墨烯独特的二维结构，就现阶段的实验条件而言，对石墨烯进行力学测试的难度仍然很大，主要原因一方面是高质量石墨烯材料的制备较为困难，另外，可有效使用的实验设备甚少，以及载荷与变形量的测量精度不易保证.目前只有原子力显微镜(AFM)纳米压痕实验系统可以有效使用，但仍须借助理论分析才能得到有效的材料力学性能参数.但是，纳米压痕的结果具有一定的分散性。
压头尺寸、形状、位置以及材料本身的一些形貌特征对实验结果会带来较大的影响，需要进行大量试验，采用多点测试，统计分析的方法才能获得有意义的实验结果.除了实验测试手段，数值模拟已经成为纳米材料力学行为研究的强有力工具[[is-ao]，文献【21}对此进行了详细的综述.一般而言，研究纳米尺度材料力学性能最常用的数值模拟计算方法有:量子力学方法!zz]、分子力学(molecular mechanics)方法[23]、蒙特卡罗(Monte Carlo)方法[24-26]和分子动力学(molecular dynamics)方法[z7-2s].从根本上讲，对材料的研究可以通过量子力学第一原理得到所需要的结果，但由于理论上的困难和计算机资源方面的限制，量子力学要处理成千上万个原子的分子体系，就显得无能为力.分子力学方法借助普遍适用的分子力场，建立各原子间微观变形运动与势能变化之间的关系，可以描述基态原子的结构变化特征[23].但是，严格地讲，该方法描述的是绝对零度的分子体系，无法反映分子结构形变运动中的各种温度效应.特别对于所有原子皆为表面原子的石墨烯结构，温度变化对其物性的影响非常显著.蒙特卡罗方法虽然通过波耳兹曼(Boltzmann)因子的引入能够描述不同温度的平均体系，可仍然只用势能项描述分子体系，不含有动能项，因而不能真实体现分子体系的动态变化过程.分子动力学方法具有其他方法所没有的特点，既含有动能项，也包含分子结构变化的时间函数，从而可以定量地模拟真实固体中所发生的动态过程，深入了解原子运动的复杂机制，从本质上揭示结构运动规律.当研究较短时间尺度内具有温度效应与时间效应的结晶过程、膨胀过程、弛豫过程和外力场中的形变过程时，分子动力学方法具有不可替代的优势目前。
分子动力学模拟可以实现百万甚至数十亿个原子的计算规模，已经成为研究纳米材料力学行为的有力工具.在理论分析方面，由于目前纳米尺度力学的理论框架尚未成熟，基于连续介质理论的分析方法被尝试用来研究石墨烯、碳纳米管等微纳观结构的力学行为[}30-54}.连续介质力学是一门相对完善的学科，利用纳米结构与宏观结构的某些相似性，采用连续介质力学理论进行唯象模拟，可以克服分子动力学方法对时间和空间尺度的限制，是一种非常有效的分析手段.基于连续介质理论的分析方法大概有两类:一类是采用等效模型，如弹性梁模型、弹性壳模型等，该方法是将石墨烯或碳纳米管结构用弹簧、杆、梁、薄膜、板、壳等元件来构造，元件的力学与几何参数通过在少数几个典型变形情况下由原子模拟得到的相应结果来进行拟合，但这种方法不能保证在选择的典型变形情况以外其他更多情况下模拟的准确性，而且只能进行线性分析;另外一类方法是基于原子势的连续介质方法，该方法通过Born律将原子的键能等效于连续介质固体的应变能，把原子势计入连续介质本构模型之中，如Hwang 研究组}44-47,49-54}提出的基于原子势的连续膜理论和后来发展的连续壳体理论.当然，由于纳米尺度所独有的一些特殊性质，在某些情况下，我们无法直接利用现有的连续介质力学的基本理论，因此仍需进一步完善和发展连续介质力学的理论和方法，使其能够用于石墨烯、碳纳米管等力学问题的研究.3石墨烯的力学性能3.1石墨烯的不平整性和稳定性关于准二维晶体的存在，科学界一直存在争议.早在1934年，Peierls[55]就提出准二维晶体材料在室温环境下会迅速分解或拆解.根据Mermin-Wagner理论[56-57]，长的波长起伏会使长程有序的二维晶体受到破坏.另外，根据弹性理论[[58-59)，二维薄膜在有限温度(>0K)下表现出不稳定性，尤其会发生弯曲现象.因此科学家们一直认为严格的二维晶体结构由于热力学不稳定性而难以独立稳定地存在.单层石墨烯的成功制备[[i,so]震惊了物理界，使科学家们对“完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳定存在”这一基本论述提出了质疑.Novoselov等[i,so]利用机械剥离法(mechanicalcleavage)首次成功获得了真正意义上的二维石墨烯片，而且可在外界环境中稳定地存在，为二维体系的实验研究提供了广阔的空间.然而，石墨烯在自然状态下是否为完美的平面结构还函待进一步证实，诸多学者对此进行了研究.Meyer[si-sa]和Ishigami等[63]将石墨烯嵌入三维空间(附着在微型支架或置于Si0:衬底上)，通过透射电子显微镜观察并辅以数值模拟，研究表明，石墨烯并不完全平整，产生了面外起伏褶皱，如图3(a)所示.Fasolino等[64]采用蒙特卡罗模拟方法研究了石墨烯的平整度问题，发现由于热涨落，石墨烯中自发地存在大约8 nm的波纹状褶皱，如图3(b)所示.产生这些褶皱的原因可能与碳原子在二维石墨烯中所处的环境有一定的关系，Carlsson[65}对此进行了讨论.石墨烯中的碳原子在薄膜上下没有近邻原子，碳原子容易在法向方向失稳而没有恢复力.正是这些纳米级别的三维褶皱巧妙地使二维石墨烯晶体结构稳定地存在.褶皱的产生与碳碳键的柔性也存在有一定的关系.理论上，碳碳键长为0.142 nm，实际自由状态下，石墨烯薄膜中的碳碳键长介于0.1300.154 nm分布[64}.另外，石墨烯的边界表现出不稳定性，边界的结构和形貌对石墨烯的性质会产生重要影响.Shenoy等[ss】基于有限元分析和原子模拟，研究发现，扶手椅型和锯齿型石墨烯的边界均会产生压应力，边界压力的存在会导致石墨烯薄膜边界产生翘曲现象，如图4所示，同时发现锯齿边的起伏幅度大于扶手椅边的起伏幅度.Reddv等[s7{通过能量最小化研究石墨烯平衡态的构型发现，初始为矩形的4条边在平衡态时也会发生弯曲现象.韩同伟等(ss-ss}基于AIREBO势函数利用分子动力学方法模拟了自由态石墨烯的弛豫性能也发现边界会产生相似的翘曲现象，同时发现多层石墨烯的边界翘曲程度明显比单层石墨烯的小.Gass等X70}采用扫描透射电镜对无支撑石墨烯的原子晶格进行了实验观测并辅以数值分析，研究表明，无支撑石墨烯的边界会重组产生卷曲现象，形成直径最小的纳米管.石墨烯边界产生翘曲或卷曲的原因可能在于孤立的石墨烯边缘存在大量的悬键，由于悬键的存在，使得石墨烯边缘处的能量较高，从而致使其发生变形以减小边界处的能量.3.2石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测石墨烯的杨氏模量、泊松比、抗拉强度等基本力学性能参数的预测是近年来石墨烯力学性能研究的主要内容之一需要指出的是，杨氏模量等力学性能参数是属于连续介质框架下的力学概念，由于石墨烯是由单层碳原子构成，其厚度必须采用连续介质假设后计算其力学性能参数才有意义.但到目前为止，人们尚未对此形成统一的认识.有些研究学者取此厚度为0.066 nm}37,7i}，略小于单个碳原子的半径，更多的研究学者取石墨晶体的层间距0.335 nm}7}7z-7s].因此采用不同的厚度定义方式，得到的应力和杨氏模量等结果是不同的.在实验测试方面，由于石墨烯的二维结构，传统的宏观材料测试方法和技术很难获得石墨烯有效的力学性能参数，原子力纳米压痕实验系统得到了较多的应用.Lee等[}7}将石墨烯置于带有孔状结构的Si衬底表面，首次利用原子力显微镜纳米压痕实验研究了石墨烯的弹性性质和断裂强度，得到压头压入深度与所施加的力的关系曲线，如图5所示，并辅以连续介质力学分析，假设石墨烯厚度为。