最近的實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯/金屬納米復(fù)合材料中金屬粒徑對(duì)其強(qiáng)度和延展性有顯著影響。隨著粒徑的減小，強(qiáng)度有增大的趨勢(shì)，而延展性有減小的趨勢(shì)。但對(duì)這些觀察結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)估仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。在本文中，我們建立了一個(gè)從納米到宏觀尺度的分級(jí)方案來(lái)評(píng)估這些性能對(duì)粒徑和石墨烯體積濃度的依賴。在納米尺度上，通過(guò)密度泛函理論(DFT)評(píng)價(jià)了石墨烯納米填料和金屬基體的彈性性能。在微觀尺度上，韌性金屬的塑性由基于位錯(cuò)密度的本構(gòu)方程描述，其退化過(guò)程由微孔洞的產(chǎn)生來(lái)解釋。在宏觀尺度上，我們考慮在被降解的金屬基體中隨機(jī)分布的石墨烯納米片體系。采用雙尺度均勻化方法，借助場(chǎng)波動(dòng)法計(jì)算了總體的石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的晶粒尺寸依賴性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在此過(guò)程中，還考慮了與粒徑相關(guān)的微空洞不斷產(chǎn)生的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，以及圍繞石墨烯納米填料的超薄不完美界面的影響。結(jié)果表明，該分級(jí)方案的預(yù)測(cè)結(jié)果與石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。通過(guò)晶粒尺寸控制過(guò)程，該多尺度理論為石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有益的指導(dǎo)。
圖1. 金屬粒徑減小時(shí)石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的強(qiáng)度和延展性。
圖2. (a)石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的SEM圖像;(b)石墨烯/鋁納米復(fù)合材料中產(chǎn)生的微孔洞的金屬斷面顯微圖。
圖3. 石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的塑性和漸進(jìn)降解粒徑依賴性的分級(jí)多尺度均勻化原理圖:(a)納米尺度體系;(b)微尺度系統(tǒng);(c)宏觀尺度系統(tǒng)。
圖4. 石墨烯納米填料的笛卡爾坐標(biāo)系示意圖。
圖5. (a)一個(gè)2 ×2 ×2全相關(guān)的鋁晶體超晶胞，其點(diǎn)缺陷由中心的白色球體所描述;(b)由石墨烯標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)晶胞形成的5×5 ×1全相關(guān)的超晶胞。
圖6. 石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的塑性和漸進(jìn)降解粒徑依賴性的多尺度均勻化方案的數(shù)值模擬流程圖。
圖7. 石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的金屬粒徑與球磨時(shí)間的關(guān)系(式(28))。
圖8. (a)不同熱力學(xué)過(guò)程下石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (b)應(yīng)變梯度和損傷對(duì)石墨烯/鋁納米復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的單獨(dú)影響。
圖9. (a)未增強(qiáng)金屬Al和(b)石墨烯/Al納米復(fù)合材料的有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線與球磨時(shí)間的關(guān)系。
圖10. 不同球磨時(shí)間時(shí)石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的降解參數(shù)與真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系。
圖11. 不同球磨時(shí)間時(shí)石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的降解率與真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系。
圖12. 不同球磨時(shí)間下，石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的金屬基體中位錯(cuò)密度與真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系。
圖13. 不同石墨烯體積濃度時(shí)石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的(a)拉伸強(qiáng)度和(b)極限應(yīng)變與球磨時(shí)間的關(guān)系。
圖14. 不同球磨時(shí)間下石墨烯/鋁納米復(fù)合材料相對(duì)于不完美界面指數(shù)的(a)抗拉強(qiáng)度和(b)極限應(yīng)變。插圖描述了相對(duì)于不完美界面指數(shù)的相應(yīng)變化率。
相關(guān)研究成果由中南大學(xué)土木工程學(xué)院Xiaodong Xia等人于2021年發(fā)表在International Journal of Engineering Science (https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2021.103476)上。原文：A hierarchical scheme from nano to macro scale for the strength and ductility of graphene/metal nanocomposites。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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