石墨烯褶皱行为及具皱石墨烯的力学性能研究
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-铜基复合材料界面结构特性及变形行为研究》范文
《石墨烯-铜基复合材料界面结构特性及变形行为研究》篇一石墨烯-铜基复合材料界面结构特性及变形行为研究一、引言随着现代科技的发展，复合材料因其独特的物理和化学性质在众多领域得到了广泛应用。
其中，石墨烯/铜基复合材料因其高导电性、高强度和优异的热导率等特性，在电子、能源、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。
然而，其性能的发挥很大程度上取决于材料内部的界面结构特性和变形行为。
因此，本文旨在研究石墨烯/铜基复合材料的界面结构特性和变形行为，为优化其性能提供理论依据。
二、石墨烯/铜基复合材料的界面结构特性2.1 界面结构的形成石墨烯/铜基复合材料的界面结构是由石墨烯片层与铜基体之间的相互作用形成的。
这种相互作用包括化学键合和物理吸附等多种形式，使得石墨烯片层能够牢固地附着在铜基体上。
2.2 界面结构的特性界面结构的特性主要包括界面厚度、界面粗糙度、界面结合强度等。
研究表明，石墨烯片层与铜基体之间的界面结构具有良好的层状结构和高的界面结合强度，这使得复合材料具有良好的力学性能和物理性能。
三、石墨烯/铜基复合材料的变形行为3.1 变形机制的探讨石墨烯/铜基复合材料的变形行为与其界面结构和石墨烯的取向密切相关。
在变形过程中，石墨烯片层可以有效地阻碍位错的运动，从而提高材料的强度和韧性。
此外，石墨烯的取向也会影响材料的变形行为，使得材料具有各向异性的特性。
3.2 变形过程中的微观结构变化在变形过程中，石墨烯片层与铜基体之间的界面结构会发生一定的变化，如界面处的位错、滑移等现象。
这些变化会影响材料的力学性能和物理性能。
因此，研究变形过程中的微观结构变化对于理解材料的变形行为具有重要意义。
四、实验方法与结果分析为了研究石墨烯/铜基复合材料的界面结构特性和变形行为，我们采用了多种实验方法，包括透射电子显微镜（TEM）观察、力学性能测试等。
通过这些实验方法，我们得到了以下结果：4.1 界面结构的观察与分析通过透射电子显微镜观察，我们发现石墨烯片层与铜基体之间的界面结构具有良好的层状结构和高的界面结合强度。
石墨烯力学调研报告
石墨烯调研报告（力学方面应用）石墨烯(graphene)，又称为二维石墨片，是由单层碳原子通过共价键杂化轨道所形成的π键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体，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，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π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π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，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，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。
石墨烯的力学性能分析及应用研究
石墨烯的力学性能分析及应用研究石墨烯是由碳原子构成的一种二维晶体，其具有许多优异的性能，如高导电性、高热导性、超高力学强度和柔韧性等，因此在近年来备受广泛关注。
在本文中，我们将对石墨烯的力学性能进行分析，并探讨其在实际应用中的研究进展。
1. 石墨烯的力学性能石墨烯具有超高力学强度和柔韧性，这在其结构特征上就有所体现。
石墨烯由一层厚度仅为一个原子的碳原子平面网格构成，这些碳原子通过强共价键结合在一起，形成了一种非常稳定的结构。
在石墨烯中，碳原子是六角形排列的，并且每个碳原子都与其周围的三个碳原子相邻，形成一种类似于蜂窝状的结构。
这种结构具有非常高的强度和刚性，因为每个碳原子都通过三个强共价键稳定地连接在一起。
此外，石墨烯还具有非常好的柔性，因为其平面结构可以在两个方向上弯曲和扭曲，而不会破坏其原子结构。
2. 石墨烯的应用研究由于其独特的力学性能和其他出色的性能，石墨烯已经被广泛研究，寻求其在各种领域的应用。
以下是一些最为重要的应用领域。
2.1 电子学石墨烯具有非常高的导电性和电子迁移率，这使得其成为一种非常理想的电子传输材料。
石墨烯可以用于制作半导体晶体管和其他电子元件，这些元件具有更快的运行速度和更低的功耗，因为其结构非常简单，而且易于制造。
2.2 基础材料石墨烯还可以用于制备其他高性能材料，如碳纤维、聚合物和金属复合物。
这些复合材料比单一材料具有更好的性能，因为它们结合了不同材料的优良性能。
此外，石墨烯还可以用于制造更轻、更强和更柔韧的塑料、纸张、涂层和电池等产品。
2.3 机械领域石墨烯的超高力学强度和柔韧性使得其在机械领域中的应用十分广泛。
其轻巧、高强度和高导电性特性使得其成为一种理想的结构材料。
石墨烯可以用于制作更好的结构材料，如建筑材料、航空器零件、汽车零件和医疗设备等。
3. 石墨烯的未来发展虽然石墨烯已经在诸多领域中展现出了非常优异的性能，但其在商业应用中的开发仍然面临一些技术挑战和困难。
石墨烯力学性能研究新进展
石墨烯力学性能研究新进展
蒲瑾
【期刊名称】《中国西部科技》
【年(卷),期】2015(14)7
【摘要】石墨烯是一种新型低维碳材料，具有优异的光学、电学、热学和力学性能，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。
本文从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的三个方面来综述了石墨烯的最新研究进展，阐述了石墨烯的最新应用及发展前景。
【总页数】4页(P30-32,35)
【作者】蒲瑾
【作者单位】西华师范大学物理与电子信息学院，四川南充 637002
【正文语种】中文
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石墨烯中的力学特性分析研究
石墨烯中的力学特性分析研究第一章石墨烯的介绍石墨烯是由一层碳原子三角晶格构成的二维结构材料，因为具有超出其他材料的优异特性而被广泛关注。
石墨烯的单层结构、高强度、高导电性和高透明性使其在诸如电子学、能源存储和化学传感等领域具有应用前景。
第二章石墨烯的力学特性2.1 石墨烯的弹性模量弹性模量是材料的机械性能之一，体现材料在受力后的形变能力。
石墨烯具有极高的弹性模量，达到了1TPa，并且在室温下具有非常高的强度。
2.2 石墨烯的断裂强度石墨烯的断裂强度是指在材料断裂前所承受的最大张力。
由于石墨烯的高分子结构和紧密排列，其断裂强度达到了130GPa，是其他材料的几倍。
2.3 石墨烯的韧性石墨烯的韧性是指材料在传统的强度和稳定性之外，还具有延展性和弹性形变的能力。
石墨烯具有极高的韧性，可以在大部分非力学干扰下保持原有的形状和性质。
第三章石墨烯力学特性的应用3.1 石墨烯在电子学领域的应用石墨烯具有高导电性和高透过率的特点，因此可以用于制造高效透明导电材料，用于光伏电池、LED等领域。
石墨烯还可用于制成场晶体管、晶体管、透明导电膜、超快晶体管、或提供电声效应等。
3.2 石墨烯在机械领域的应用石墨烯的高强度和高弹性使其有很多机械领域的应用。
石墨烯可以制成超导电磁材料、特别的铁磁材料、结构保护材料、手表、毛刷、保护材料和强大的合成材料等。
3.3 石墨烯在化学领域的应用石墨烯可以在化学领域中被用作新一代分子传感器，能够在化学分析和检测中发挥重要作用。
石墨烯的引入和导电性质使其成为环境污染物检测和生物传感器等应用领域的重要材料。
第四章石墨烯的未来研究石墨烯的高强度、高导电性和高透明性让它在很多领域具有应用价值。
未来研究需要着力于石墨烯的生产和制备技术，如何降低生产成本和提高生产效率，需要探索更广泛的应用领域和方法。
同时，也需要提高石墨烯与其他材料的兼容性，以便更好地利用其在生产和应用过程中的性质。
结论：总之，石墨烯是一种拥有独特优异物理机械性质和化学性能的材料，其应用前途巨大。
梯度拉伸下锯齿型石墨烯褶皱的分子动力学模拟
梯度拉伸下锯齿型石墨烯褶皱的分子动力学模拟佚名【摘要】针对梯度拉伸荷载作用下正方形锯齿型石墨烯薄膜的褶皱变形进行了分子动力学模拟。
研究了石墨烯表面形成褶皱的发展、演化过程，揭示了边界条件和荷载条件对石墨烯褶皱变形的重要影响，得到了褶皱波幅、波长、离面位移和褶皱方向角等随加载位移的变化规律，研究了石墨烯尺寸、温度和荷载梯度对石墨烯褶皱变形的影响。
结果表明：褶皱的发展、演化过程可分为褶皱前期、中期、后期、末期4个阶段；随着加载位移增加，褶皱幅值、幅值波长比和最大离面位移逐渐增大，褶皱波长和方向角则减小；尺寸和温度对石墨烯褶皱都会产生重要影响，而荷载梯度对石墨烯褶皱影响甚微。
%This paper deals with molecular dynamics simulation of the wrinkling deformation of a zigzag square sin -gle-layer graphene sheet ( SLGS) subjected to gradient tensions .In the investigation , the formation and evolution of the wrinkles on graphene surface are analyzed , and the effects of boundary and loading conditions on the wrink-ling deformation are explored.Then, the variations of the wrinkling amplitude , the wavelength, the out-of-plane displacement and the direction angle with the loading displacement are revealed , and the effects of graphene size , temperature and loading grad on the wrinkling are discussed .It is found that ( 1 ) the formation and evolution process of wrinkles can be divided into four stages , namely the prophase stage , the metaphase stage , the ana-phase stage and the telophase stage; (2) with the increase in loading displacement , the wrinkling amplitude , the ratio of amplitude to wavelength and the maximum out-of-plane displacement allincrease , while the wrinkling wavelength and the direction angle decrease; and (3) both the size and the temperature remarkably affect the gra-phene wrinkling , while the loading grad has little effect on the wrinkling .【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】6页(P122-126,141)【关键词】石墨烯;分子动力学;褶皱;梯度拉伸荷载;边界条件【正文语种】中文【中图分类】TB39石墨烯具有极为优越的力学、热学和电学性能，已成为纳米力学领域的研究热点之一［1-2］，其优异的物理学特性使它成为了重要的纳米元件［3］.石墨烯单层原子厚度和其极小的弯曲刚度导致它很容易形成褶皱.2007年Meyer等［4］首先发现石墨烯表面形成了褶皱.石墨烯的褶皱可以由不同的外界激励引起，例如官能团的影响、结构的缺陷、热涨落和机械扰动等［5］.褶皱对石墨烯的力学性能、电子学性能、热学和化学性能等具有重要影响.Zhu等［6］的研究指出褶皱会影响石墨烯的电子运输性能，能降低纳米器件的开闭比和提高整个器件的电阻.Chen等［7］通过微拉曼映射技术证明了褶皱会降低石墨烯的导热系数.Zheng等［8］的研究指出石墨烯能取代铟锡氧化物成为新型的透明导电膜，而且具有高密度褶皱的石墨烯是用于制造储氢器件、超级电容器和纳米机械元件的最佳选择.褶皱使石墨烯表面具有极高的粘附力，使得石墨烯和聚合物基体有紧密的机械锲合，从而提高石墨烯增强复合材料的力学性能［9-10］.Levy等［11］的研究表明，石墨烯上的褶皱能导致一个高达300T以上的伪磁场.同时，可以通过调控石墨烯褶皱构形、方向、波长和波幅以满足工程应用的不同需要.因此，研究石墨烯褶皱形成的物理本质，揭示石墨烯褶皱的发展演化过程具有重要的学术和工程价值.目前，对于石墨烯褶皱的研究多集中于褶皱对石墨烯的物理性能产生的影响，鲜见对石墨烯褶皱物理本质进行解释.石墨烯褶皱的物理本质尚未清晰，石墨烯褶皱的理论尚未建立.现有的研究中，主要集中于获得石墨烯的褶皱图案、波长和波幅.在这些研究中，产生石墨烯褶皱变形的模拟多为对不同几何形状的石墨烯进行简单的拉伸、压缩和剪切，边界条件多为固定边界［12-17］，尚未有涉及梯度荷载和复杂边界条件的石墨烯褶皱变形的研究.文中基于分子动力学方法，以锯齿型正方形石墨烯为研究对象，通过对石墨烯施加边界条件和荷载条件，分析了在梯度拉伸荷载作用下石墨烯的褶皱变形机理.通过研究石墨烯的褶皱构形、褶皱参数和参考点的离面位移变化历程等，分析了石墨烯的褶皱变形的形成、发展和演化过程，得到了褶皱参数的变化规律.最后研究了石墨烯尺寸、温度和荷载梯度对石墨烯的褶皱变形的影响.正方形单层锯齿型石墨烯尺寸为6.2392nm×6.0173nm，其碳原子质量为12个原子质量单位，C—C键长为0.142nm.边界条件和加载条件如图1所示.在石墨烯上设置截断线I，x=1.560 nm，参考点A(0.5672nm，0.0614nm).针对在梯度拉伸载荷下单层正方形石墨烯的褶皱变形进行分子动力学模拟，采用AIREBO势函数，模拟在NVT系综下进行，采用Nose-Hoover热浴法进行温度调节，温度为0.01K，时间步长为1 fs，采用LAMMPS默认的Velocity-Verlet积分算法.加载前，对石墨烯进行充分的无约束弛豫，系统完成能量最低化后，以位移形式加载，位移d从0到0.01nm线性变化.每加载一次后进行10 ps的分子动力学弛豫，共加载 250次，C—C键的截断半径设定为0.2nm.石墨烯的褶皱是石墨烯在外载荷作用下产生的.褶皱具有特定的方向性和自相似性.当移除外载荷后这些波纹会消失，因此褶皱具有可逆性.为了描述石墨烯褶皱的特征，定义n为褶皱数量即褶皱波峰和波谷的总数，如褶皱数量n记为3(1，2)表示褶皱数量为3，其中波峰数为1，波谷数为2.褶皱波长、波幅、方向角等褶皱参数如图2所示.为表示石墨烯整体褶皱的特征，定义参数为式中，η表示特定的褶皱参数，如褶皱幅值ηA，褶皱波长ηλ，褶皱方向角ηα和褶皱幅值波长比ηA/ηλ.褶皱方向角ηα为褶皱的方向与水平方向上的夹角，如图2所示.褶皱的幅值波长比ηA/ηλ能够反映褶皱的形态，幅值波长比越大，说明褶皱越高耸;反之亦然.褶皱参皱η-反映石墨烯的整体褶皱特征.图3所示是dmax为0.5、1.0、1.5、2.0nm时的褶皱构形.石墨烯表面形成了非均匀的褶皱群.褶皱的规模从右下角到左上角逐渐增大.随着dmax的增大，在石墨烯右下角处的褶皱开始密集.左边界为自由边界，因此石墨烯左上方产生较大的离面变形.造成以上现象的原因与石墨烯的几何形状、荷载和约束条件有一定的关系.固定边界限制了其碳原子的面内自由度，从而引入压应力.固定边界引入的压应力与梯度荷载的共同作用造成石墨烯形成一系列梯度变化的褶皱.开始加载时，石墨烯结构处于弹性阶段.dmax增加到0.5nm时，石墨烯表面出现褶皱，如图3(a)所示，褶皱倾斜而具有一定的方向角，褶皱数量为2(1，1).当dmax=1.0 nm时，在石墨烯的右上角和右下角出现较小的新褶皱，褶皱数量增加到4(2，2).当dmax=1.5nm时，褶皱方向角明显减少，褶皱显得更倾斜.当dmax=2.0nm时，简支边界已经明显变形，简支边界上的碳原子有向石墨烯中央靠拢的趋势.石墨烯右上角的C—C键已被高度拉伸濒临断裂破坏，褶皱群变得紧凑、细长，褶皱面积大.图4为参考点A的离面位移变化曲线.石墨烯褶皱的变形发展过程可分为4个阶段:(Ⅰ)褶皱前期阶段;(Ⅱ)褶皱中期阶段;(Ⅲ)褶皱后期阶段; (Ⅳ)褶皱末期阶段.开始加载后一段时间内，由于弛豫过程，石墨烯表面上产生的波纹为主要特征.石墨烯表面的碳原子在离面方向振动，但未形成褶皱.这个阶段为褶皱前期阶段，以dmax=0.157 nm为终点.当0.157nm＜dmax≤0.584nm时，为褶皱中期阶段.此阶段内，褶皱已形成并以较快速度发展.褶皱发展过程中，参考点都有不同程度的颤动.褶皱发展不稳定，随着加载进行，褶皱上的原子在离面方向上往复运动.当0.584nm＜dmax≤1.305nm时，为褶皱后期阶段.这是褶皱的稳定发展阶段，石墨烯上的碳原子没有颤动，褶皱发展速度下降.当dmax到达1.305nm后，褶皱发展进入末期阶段.褶皱最终构形基本成型，随后石墨烯濒临破坏，褶皱出现不稳定的波动现象.此阶段持续至石墨烯失效破坏(dmax=2.281nm)，体现在参考点的离面位移剧烈变化上.截断线I上的褶皱参数结果如表1所示，褶皱波幅和幅值波长比都随着载荷的增加而增大，而波长是呈减少的趋势.反映出随着载荷加载，石墨烯上有高度褶皱的趋势.同时，褶皱从2个增加到4个后，石墨烯褶皱数量不再增加，只是褶皱幅值和波长发生变化.文中假设褶皱是相互平行的，即方向角相同.表1列出了褶皱方向角ηα和最大离面位移wE.ηα随着荷载的加载而越来越小，褶皱越向加载方向倾斜;wE随着荷载的加载持续增大，直到石墨烯破坏前，wE值为1.088nm.图5所示为褶皱参数随dmax变化的曲线.曲线上有一突变处，因为次级褶皱即新的小型褶皱的产生影响了参数的平均值.总体看来，褶皱幅值和幅值波长比都是呈增长趋势;褶皱波长在新褶皱出现后剧减，后来则缓慢减少.3.1 荷载梯度的影响选取边长为6nm的石墨烯模型，设置每次加载时，荷载梯度 kd分别为1.000×10-3、1.333×10-3、1.667×10-3、2.000×10-3、2.333×10-3、2.667×10-3，控制其他条件不变，研究在相同dmax=1.0nm下的褶皱构形和参数的差别.具体的褶皱构形和褶皱参数的结果见图6和表2.从表2的结果可以看出，荷载梯度对褶皱幅值、褶皱波长和褶皱方向角褶皱参数的影响甚微，但对wE产生影响，随着荷载梯度的增加，先减少后增加.不同荷载梯度下的褶皱构形差异很小.说明在梯度剪切荷载作用下，荷载梯度对石墨烯褶皱行为影响较小.3.2 温度的影响选取以边长为6nm的石墨烯模型，分别设置温度为0.01、100、200、300、400、500K，控制其他条件不变，研究了在相同dmax(dmax=1.0 nm)下的褶皱构形和参数的差别.褶皱参数和褶皱构形见表3和图7.根据表3，褶皱参数随着温度增加呈现不规律变化，特别是300K温度下的褶皱参数与其他温度下的参数有明显差异，说明温度对褶皱参数的影响非常大.不同温度下，尽管褶皱数量都是4(2，2)，但石墨烯的褶皱构形明显不同.温度的存在使碳原子的热振动加剧，因此对石墨烯的褶皱行为产生不可忽略的影响.除0.01K温度外的石墨烯褶皱构形都是石墨烯热效应行为和梯度拉伸荷载的共同作用产生的结果，说明温度对石墨烯褶皱行为产生了重要影响.3.3 尺寸的影响选取边长为4、6、8、10nm的石墨烯作为模型，控制其他条件不变，研究了加载边界斜率k=0.192下的褶皱构形和参数的差异.对长度性质的参量进行归一化处理，例如η-/b，其中b为正方形石墨烯边长.褶皱参数和构形见表4和图8.根据表4，总的来说，随着尺寸的增大，wE、褶皱幅值波长比和褶皱波幅都呈增长趋势;褶皱波长随着尺寸的增加而减小;褶皱方向角随着尺寸增加先减小后增大;褶皱数量增加到4(2，2)后即不再增加.这说明尺寸的增大使得石墨烯褶皱形态更细长、更高耸.如图8所示，尺寸越大褶皱数量越多，褶皱构形也发生变化.随着尺寸的增加，在靠近自由边界区域处新增一个与原靠近此区域的褶皱类型相反的褶皱，即是，若原靠近自由边界区域的褶皱为一个波峰，随着尺寸的增加，在自由边界附近区域会产生一个波谷，从而增加褶皱数量，反之亦然.也可认为，小尺寸石墨烯的褶皱构形是从大尺寸石墨烯褶皱中分离出来的. 文中运用分子动力学方法研究了包含自由边界、简支边界和固支边界的复杂边界条件的正方形锯齿型石墨烯在梯度拉伸荷载下的褶皱变形.结果表明，在石墨烯表面上形成了梯度变化的褶皱群，褶皱随着载荷位移的增大而变得密集紧凑、细长，简支边界上碳原子向石墨烯中央靠拢.上述结果与石墨烯的几何构形、约束和载荷有关.褶皱的发展、演化过程可分为4个阶段，分别为褶皱前期、中期、后期和末期阶段.总的来说，褶皱幅值、幅值波长比和最大离面位移随加载位移增加而增加;褶皱波长和方向角则随加载位移增加而减少.另外，石墨烯尺寸和温度对锯齿型石墨烯褶皱都产生很大的影响.文中还提出了褶皱随尺寸增加而增加的规律;发现了温度对褶皱的发展、演化过程产生重要影响，非零温度下石墨烯的褶皱变形是温度效应行为与梯度拉伸荷载共同作用的结果;荷载梯度对锯齿型石墨烯褶皱没有明显的影响.【相关文献】［1］韩强，黄凌燕.石墨烯薄膜拉伸性能的分子动力学模拟［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2012，40(2): 29-34.Han Qiang，Huang Ling-yan.Molecular dynamics simulation of tensile properties of graphene sheets［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science E-dition，2012，40(2):29-34.［2］黄凌燕，韩强.单层石墨烯温度效应的分子动力学模拟［J］.中国科学:物理学力学天文学，2012，42(3):319-326.Huang Ling-yan，Han Qiang.Molecular dynamics simulation of temperature effect on mono-layer graphene sheets［J］.Scientia Sinica Physica，Mechanica＆Astronomica，2012，42(3):319-326.［3］ Schedin F，Geim A K，Morozov SV，et al.Detection of individual gasmolecules adsorbed on graphene［J］.Nature Materials，2007，6(9):652-655.［4］ Meyer JC，Geim A K，Katsnelson M I，et al.The structure of suspended graphene sheets［J］.Nature，2007，446 (7131):60-63.［5］ Zheng Q，Geng Y，Wang S，et al.Effects of functional groups on the mechanical and wrinkling properties of graphene sheets［J］.Carbon，2010，48(15):4315-4322. ［6］ Zhu W，Low T，Perebeinos V，etal.Structure and electronic transport in graphene wrinkles［J］.Nano Letters，2012，12(7):3431-3436.［7］ Chen S，Li Q，Zhang Q，et al.Thermal conductivity measurements of suspended graphene with and without wrinkles by micro-Raman mapping［J］.Nanotechnology，2012，23(36):365701.［8］ Zheng Q，Ip W H，Lin X，et al.Transparent conductive films consisting of ultralarge graphene sheets produced by Langmuir-Blodgett assembly［J］.ACS Nano，2011，5 (7):6039-6051.［9］ Koenig SP，Boddeti N G，Dunn M L，et al.Ultrastrong adhesion of graphene membranes［J］.Nat Nano，2011，6 (9):543-546.［10］ Rafiee M A，Rafiee J，Wang Z，et al.Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content［J］.ACSNano，2009，3(12):3884-3890. ［11］ Levy N，Burke S A，Meaker K L，et al.Strain-induced pseudo-magnetic fields greater than 300 Tesla in graphene nanobubbles［J］.Science，2010，329(5991): 544-547. ［12］ Wang C，Mylvaganam K，Zhang L.Wrinkling ofmonolayer graphene:a study by molecular dynamics and continuum plate theory［J］.Physical Review B，2009，80(15): 155455.［13］ Gil A J，Adhikari S，Scarpa F，et al.The formation of wrinkles in single-layer graphene sheets under nanoindentation［J］.Journal of Physics Condensed Matter:an Institute of Physics Journal，2010，22(14):145302.［14］ Zhang Z，Duan W H，Wang C M.Tunable wrinkling pattern in annular graphene under circular shearing at inner edge［J］.Nanoscale，2012，4(16):5077-5081.［15］ Duan W H，Gong K，Wang Q.Controlling the formation of wrinkles in a single layer graphene sheet subjected to inplane shear［J］.Carbon，2011，49(9):3107-3112. ［16］ Min K，Aluru N R.Mechanical properties of graphene under shear deformation ［J］.Applied Physics Letters，2011，98(1):013113.［17］ Wang C，Liu Y，Lan L，et al.Graphene wrinkling:formation，evolution and collapse［J］.Nanoscale，2013，5 (10):4454-4461.。
石墨烯的力学性能与弹性模量
石墨烯的力学性能与弹性模量石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体，具有独特的力学性能和弹性模量。
在这篇文章中，我们将探讨石墨烯的力学性能以及它的弹性模量。
1. 石墨烯的力学性能石墨烯的力学性能是指它在受力作用下的表现和响应。
由于石墨烯是一种二维晶体，具有很高的结晶度和较长的晶体间距，使得它具有出色的力学性能。
首先，石墨烯具有极高的拉伸强度。
实验证明，石墨烯的拉伸强度可以达到130 GPa以上，远超过钢铁的强度。
这意味着石墨烯在受到拉伸力时，能够承受非常大的应力而不发生断裂。
其次，石墨烯具有很高的弯曲强度。
当施加弯曲力时，石墨烯仍然能够保持稳定的结构并继续承载力量。
这种弯曲强度使得石墨烯在纳米器件和柔性电子领域具有广泛的应用前景。
此外，石墨烯还具有优异的刚度和硬度。
刚度是指材料在受力后的变形程度，硬度则是指材料抵抗压力的能力。
石墨烯的刚度和硬度都非常高，能够抵抗外部的变形和压力，保持其结构的完整性。
2. 石墨烯的弹性模量弹性模量是衡量材料抵抗形变的能力。
对于石墨烯而言，由于其特殊的结构和化学键，它的弹性模量非常高。
石墨烯的弹性模量可以通过实验测得。
通过拉伸或压缩等操作，可以得到石墨烯在不同应力条件下的应变情况。
通过绘制应力-应变曲线，并分析其线性部分的斜率，就可以得到石墨烯的弹性模量。
实验证明，石墨烯的弹性模量可以达到1 TPa（万亿帕斯卡），远远高于其他材料如钢铁和硅。
这种高弹性模量使得石墨烯在微纳电子领域具有重要的应用价值，例如作为传感器和晶体管的材料。
3. 石墨烯的局限性虽然石墨烯具有卓越的力学性能和弹性模量，但它也存在一些局限性。
首先，石墨烯是一种二维材料，相对容易发生弯曲和屈曲。
这可能会对其在实际应用中的稳定性带来挑战。
因此，在设计和制备石墨烯纳米器件时，需要考虑其结构的稳定性和可控性。
其次，石墨烯的制备过程较为复杂，并且目前仍存在规模化制备的难题。
这限制了石墨烯在实际应用中的推广和商业化。
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石墨烯褶皱行为及具皱石墨烯的力学性能研究石墨烯在物理、化学、力学等性能方面无与伦比的优势，使其在纳电子器件、触摸屏、晶体管、基因测序以及航空航天等领域拥有着广阔的应用前景。
而褶皱作为石墨烯独立存在的必要条件，其与石墨烯声光电磁热等方面的性能密不可分。
因此，研究石墨烯的褶皱特征和规律，以及褶皱对石墨烯性能的影响具有重要的科学研究和应用价值。
本文首先围绕石墨烯褶皱现象展开分析，通过对石墨烯纳米带施加剪切位移载荷，获取关键区域原子的面外位移与势能，判断褶皱产生、扩展直至消失的临界载荷，进而阐示了石墨烯褶皱扩展演化的物理机制，并研究环境温度、长细比等因素对石墨烯褶皱特征参数以及扩展演化机制的影响规律。
采用连续介质力学理论，提出了石墨烯剪切起皱的模型，预报了褶皱特征参数，并对比分析了连续介质力学理论与分子动力学理论在研究石墨烯褶皱特征参数上的相似性与差异性。
在石墨烯褶皱特征与扩展演化规律分析的基础上，进行了褶皱石墨烯振动特性研究。
通过引入初始面外扰动诱发褶皱石墨烯横向振动，获取动能与时间变化关系，进而利用快速傅里叶变换获取对应的频率响应曲线，确定褶皱石墨烯谐振频率，并详细分析了褶皱中构形、应变等各因素对石墨烯振动特性的影响规律。
借助连续介质力学理论预报了褶皱石墨烯谐振频率，验证了所得规律的准确性。
最后，对褶皱石墨烯进行热传导特性研究。
通过借助非平衡分子动力学的方法，计算了褶皱石墨烯的热导率，并提取了一个褶皱波，分析了不同褶皱参数对石墨烯热传导性能的影响规律。
从键长、声子态密度和应力应变等角度，对所得影响规律进行了系统深入地
阐释，同时提出了基于褶皱调谐设计热电器件的展望与构想。
本文中所得到的有关石墨烯褶皱演变机制与褶皱构型预报，以及褶皱对石墨烯振动和热传导性能影响的研究结果和结论，对石墨烯褶皱力学基础理论的研究和发展提供了支撑。
为基于褶皱构形调控技术的石墨烯器件设计提供了参考，对推进石墨烯器件可设计化并走入应用化具有重要意义。