石墨烯拉伸力学性能温度相关性的数值模拟

第37卷第12期2009年12月

同济大学学报(自然科学版)

JO URNA L OF TON GJI UNIVERSITY (NA TURA L SCIEN CE)Vol.37No.12 Dec.2009

文章编号:02532374X(2009)1221638204DO I :10.3969/j.issn.02532374x.2009.12.014

收稿日期:2009-01-08

基金项目:上海市科委基础研究重点资助项目(09JC1414400)

作者简介:韩同伟(1979)),男,博士生,主要研究方向为计算纳米力学.E 2m ail:6twhan@

贺鹏飞(1962)),男,教授,工学博士,博士生导师,主要研究方向为复合材料力学.E 2mail:ph232@

石墨烯拉伸力学性能温度相关性的数值模拟

韩同伟1,2,贺鹏飞1,王 健2,吴艾辉1

(1.同济大学航空航天与力学学院,上海200092;2.贝尔法斯特女王大学,贝尔法斯特BT 95AH )

摘要:采用Tersoff 势对扶手椅型(Armchair )和锯齿型(Zigzag)单层石墨烯薄膜在不同热力学温度下(0~3000K)的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,预测了石墨烯薄膜拉伸力学性能对温度的依赖性,并比较了不同温度条件下相同几何尺寸的扶手椅型和锯齿型单层石墨烯薄膜拉伸力学性能的差异.结果表明:石墨烯薄膜的拉伸力学性能和变形机制对温度有强烈的依赖性,2种不同手性的单层石墨烯薄膜的杨氏模量、抗拉强度、拉伸极限应变均随温度的升高而显著减小.石墨烯薄膜力学性能的各向异性也受温度的影响,当温度低于600K 时,扶手椅型石墨烯薄膜的力学性能优于锯齿型的;但当温度超过600K 时,特别是高温时,扶手椅型薄膜的力学性能的优势逐渐减弱,甚至低于锯齿型的.

关键词:单层石墨烯薄膜;拉伸力学性能;分子动力学方法;温度相关性

中图分类号:TB 332

文献标识码:A

Numer ical Simulation of Tempera tur e

Dependence of Ten sile Mecha nica l P roper ties f or Single Gr aphene Sheet

HA N Tongwei

1,2

,HE Pen g f ei 1

,WA NG Jian 2

,WU A ihui

1

(1.School of Aerospace Engineering and Ap plied M ech anics,T o n gji University,Shanghai 200092,C hina;2.The Queen .s Univer sity of B elfast,Belfast BT 95AH,UK)

Abstr a ct :The tensile mechanical proper ties of the ar mchair and zigzag single gr aphe ne sheets at differe nt temper atur es (0~3000K)wer e investigated based on molecular dynamics simulation with Te rsoff bond 2or der inter atomic pote ntial.The depe ndence of the tensile mechanical pr oper ties of the sheets on the tempe rature was pr edicted and analyzed.A study was also made of the differe nce of the tensile mechanical pr oper tie s be tween armchair and zigzag sheets at differ ent temper atur es.Simulation results indicate that the te nsile me chanical pr operties and deformation mechanism of the sheets are str ongly dependent on the temperature.The

Y oung .s modulus,tensile str ength and limit tensile str ain of the two chiral sheets all decrease significantly with the incr easing tempe rature.It is also found that the mechanical anisotr opy of the shee ts is also affecte d by the temper atur e.When the temperat ure is less than 600K,the mechanical proper ties of ar mchair shee ts ar e supe rior to those of the zigzag ones.However ,when the temper atur e is over 600K,this super ior it y diminishe s gradually and even tur ns into infe riority,especially at a high temper atur e.Key

wor ds :

single

graphene

sheet;

tensile

mechanical

properties;molecular dynamics method;temperature dependence

石墨烯(Graphene)是由单层六角元胞碳原子构成的具有蜂窝状2维晶格结构的一种碳质新材料,它是2004年由曼彻斯特大学的K.S.Novoselov 和A.K.Geim 小组首先发现的[1]

,是构建其他维数碳质材料(如0维富勒烯(C 60),1维碳纳米管(CNT ),3维石墨(Graphite)等)的基本结构单元[2].这种新型

低维碳材料具有极好的结晶性和电学质量[2-5]

,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[6].最近的研究[7-9]

表明,石墨烯具有极

其优异的力学性能.石墨烯的力学性质与碳原子之间的化学键和电子结构有着紧密联系.全部由A 键(自然界中最强的化学键)构成的石墨烯,所有碳原子被束缚在同一个平面内,使其具有超高的强度、刚度和韧性以及独特的变形机制.另一方面,根据统计热力学

理论,温度的高低决定了碳原子热振动的剧烈程度.因此,温度的改变必然会引起石墨烯力学行为的变化.Ozaki [10],Ni [11]和Yakobson 等人[12]通过对碳纳米管轴向压缩和轴向拉伸的数值模拟均表明,碳纳米管的力学性能对温度有一定的依赖性.关于石墨烯力学性能与温度的相关性尚未见相关报道.