最近的實驗表明，石墨烯/金屬納米復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。但對這些觀察結果進行定量評估仍然是一個挑戰。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方程描述，其退化過程由微孔洞的產生來解釋。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/金屬納米復合材料的晶粒尺寸依賴性應力-應變關系。在此過程中，還考慮了與粒徑相關的微空洞不斷產生的熱力學驅動力，以及圍繞石墨烯納米填料的超薄不完美界面的影響。結果表明，該分級方案的預測結果與石墨烯/鋁納米復合材料的實驗數據吻合較好。通過晶粒尺寸控制過程，該多尺度理論為石墨烯/金屬納米復合材料的設計和應用提供了有益的指導。
圖1. 金屬粒徑減小時石墨烯/金屬納米復合材料的強度和延展性。
圖2. (a)石墨烯/鋁納米復合材料的SEM圖像;(b)石墨烯/鋁納米復合材料中產生的微孔洞的金屬斷面顯微圖。
圖3. 石墨烯/金屬納米復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;(c)宏觀尺度系統。
圖4. 石墨烯納米填料的笛卡爾坐標系示意圖。
圖5. (a)一個2 ×2 ×2全相關的鋁晶體超晶胞，其點缺陷由中心的白色球體所描述;(b)由石墨烯標準常規晶胞形成的5×5 ×1全相關的超晶胞。
圖6. 石墨烯/金屬納米復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值模擬流程圖。
圖7. 石墨烯/鋁納米復合材料的金屬粒徑與球磨時間的關系(式(28))。
圖8. (a)不同熱力學過程下石墨烯/鋁納米復合材料的有效應力-應變曲線。 (b)應變梯度和損傷對石墨烯/鋁納米復合材料應力-應變曲線的單獨影響。
圖9. (a)未增強金屬Al和(b)石墨烯/Al納米復合材料的有效應力-應變曲線與球磨時間的關系。
圖10. 不同球磨時間時石墨烯/鋁納米復合材料的降解參數與真實應變的關系。
圖11. 不同球磨時間時石墨烯/鋁納米復合材料的降解率與真實應變的關系。
圖12. 不同球磨時間下，石墨烯/鋁納米復合材料的金屬基體中位錯密度與真實應變的關系。
圖13. 不同石墨烯體積濃度時石墨烯/鋁納米復合材料的(a)拉伸強度和(b)極限應變與球磨時間的關系。
圖14. 不同球磨時間下石墨烯/鋁納米復合材料相對于不完美界面指數的(a)抗拉強度和(b)極限應變。插圖描述了相對于不完美界面指數的相應變化率。
相關研究成果由中南大學土木工程學院Xiaodong Xia等人于2021年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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