碳納米管-石墨烯界面剪切失效分子模擬研究.pdf

1、碳納米管和石墨烯具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、高導電性等一系列優(yōu)異性能，已經開始應用于復合材料、電子器件、儲能等領域。碳納米管/石墨烯多尺度復合材料在保持優(yōu)異力、電、熱學性質的同時，使一維碳納米管和二維石墨烯擴展到三維復合材料。但是碳納米管/石墨烯多尺度復合材料并未得到各個領域的廣泛應用，部分原因在于其界面粘結的不穩(wěn)定性，經常會出現(xiàn)碳納米管與石墨烯表面的脫粘現(xiàn)象，也就是界面失效。碳納米管/石墨烯多尺度復合材料的失效模式問題已經

2、引起了眾多學者的關注，包括界面剝離失效和界面剪切失效。對于剝離失效，已經通過分子模擬、實驗等方法進行了深入研究，然而卻鮮有文獻報道碳納米管/石墨烯界面剪切失效問題。為了進一步揭示碳納米管/石墨烯界面剪切失效機制，本文運用分子動力學模擬對這一機制進行了深入討論，主要包括以下幾個方面工作：
　　采用分子動力學方法研究了范德華力作用下碳納米管/石墨烯界面剪切失效行為，并考察了石墨烯尺寸、碳納米管壁數(shù)和石墨烯層數(shù)對剪切行為的影響。隨著剪切

3、位移的增加，剪切力呈周期性變化，并且碳納米管壁數(shù)會影響剪切力-位移曲線的周期性，石墨烯層數(shù)對周期性不產生影響；臨界失效剪切力出現(xiàn)在剪切過程的開始階段；臨界失效剪切力隨石墨烯對碳納米管的包裹面積和包裹面積對應的相對分子質量增大而增大。
　　研究了石墨烯氫化比例對范德華力作用下碳納米管/氫化石墨烯界面剪切失效行為的影響。氫原子的存在削弱了石墨烯對碳納米管的包裹作用；隨著氫原子的增加，剪切力-位移曲線的周期性逐漸模糊；碳納米管/氫化石墨

4、烯的臨界失效剪切力大于同尺寸下碳納米管/未官能化石墨烯臨界失效剪切力。這些結果說明氫原子的存在有效提高了碳納米管/石墨烯抗剪強度。
　　研究了石墨烯被氧化比例和羥基占官能團比例對碳納米管/氧化石墨烯界面剪切失效行為的影響。相對于碳納米管/未官能化石墨烯，剪切力整體提高；官能團的存在使剪切力-位移曲線不再具有周期性，并且加劇了剪切力-位移曲線的波動程度；臨界失效剪切力不再出現(xiàn)在剪切開始的階段。這些結果表明官能團的存在有效提高了碳納米