最近的實驗表明，石墨烯/金屬納米復(fù)合材料中金屬粒徑對其強度和延展性有顯著影響。隨著粒徑的減小，強度有增大的趨勢，而延展性有減小的趨勢。但對這些觀察結(jié)果進行定量評估仍然是一個挑戰(zhàn)。在本文中，我們建立了一個從納米到宏觀尺度的分級方案來評估這些性能對粒徑和石墨烯體積濃度的依賴。在納米尺度上，通過密度泛函理論(DFT)評價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密度的本構(gòu)方程描述，其退化過程由微孔洞的產(chǎn)生來解釋。在宏觀尺度上，我們考慮在被降解的金屬基體中隨機分布的石墨烯納米片體系。采用雙尺度均勻化方法，借助場波動法計算了總體的石墨烯/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，該分級方案的預(yù)測結(jié)果與石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的實驗數(shù)據(jù)吻合較好。通過晶粒尺寸控制過程，該多尺度理論為石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了有益的指導(dǎo)。
圖1. 金屬粒徑減小時石墨烯/金屬納米復(fù)合材料的強度和延展性。
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降解粒徑依賴性的分級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2 ×2 ×2全相關(guān)的鋁晶體超晶胞，其點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間的關(guān)系(式(28))。
圖8. (a)不同熱力學(xué)過程下石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (b)應(yīng)變梯度和損傷對石墨烯/鋁納米復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的單獨影響。
圖9. (a)未增強金屬Al和(b)石墨烯/Al納米復(fù)合材料的有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線與球磨時間的關(guān)系。
圖10. 不同球磨時間時石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的降解參數(shù)與真實應(yīng)變的關(guān)系。
圖11. 不同球磨時間時石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的降解率與真實應(yīng)變的關(guān)系。
圖12. 不同球磨時間下，石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的金屬基體中位錯密度與真實應(yīng)變的關(guān)系。
圖13. 不同石墨烯體積濃度時石墨烯/鋁納米復(fù)合材料的(a)拉伸強度和(b)極限應(yīng)變與球磨時間的關(guān)系。
圖14. 不同球磨時間下石墨烯/鋁納米復(fù)合材料相對于不完美界面指數(shù)的(a)抗拉強度和(b)極限應(yīng)變。插圖描述了相對于不完美界面指數(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
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