20 / 2021-03-23 15:49:21

多晶石墨烯断裂行为研究

分子动力学模拟，拉伸断裂强度，石墨烯晶界，压痕变形

多晶石墨烯断裂行为研究

曹国鑫

同济大学航空航天与力学学院，上海200092

caogx@tongji.edu.cn

摘要：现有的理论研究认为，晶界对石墨烯的弹性模量影响较小，但会显著降低材料的断裂应变，主要原因是组成晶界的碳原子5-7环会引起明显的预拉伸变形，具有最大预应力的C-C键通常最先断裂，导致石墨烯断裂，而最大预应力随着晶界角度的减小而增加，但上述理论却无法得到实验结果的有效验证。

本文通过分子动力学方法对晶界对石墨烯的断裂行为进行了系统研究，不仅考虑了晶界角的作用，而且还研究了加载模式对断裂应力的影响。结果显示：

①宏观尺度下，石墨烯的拉伸断裂应力不仅和晶界角相关，而且对加载方向非常敏感，穿晶方向的断裂应力远低于沿晶方向；微观尺度下，首先断裂的C-C键不仅取决于其预变型，还和C-C键与拉伸方向的夹角以及相邻键的取向相关。

②具有面外变形的小角度晶界的能量远低于平面晶界，即小角度晶界会引发面外变形，导致5-7环中C-C键的位置和预变形分布发生改变，不同于平面晶界，因而断裂应力也发生变化；另外，基于平面晶界建立的理论公式对其断裂应力的预测也会产生误差。

③在悬空压痕测试中，虽然压头会引起显著应力集中，降低断裂应变，但压头和石墨烯的吸引作用将引起晶界5-7环产生面外变形，导致预变形部分释放，因而由压痕测试得出的晶界对断裂应变的影响明显低于平面拉伸状态，这种影响不仅取决于压头形状，而且和石墨烯的预变型状态密切相关。在真实压痕实验中，石墨烯往往处于非平直态（褶皱态或悬垂态），由此压头吸引作用的影响放大，使得晶界角的影响进一步降低。这也解释了压痕实验中无法得出晶界角对断裂应变明显影响的原因。

关键词：分子动力学模拟，拉伸断裂强度，石墨烯晶界，压痕变形