一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法与流程

1.本发明属于石墨烯增强金属基复合材料的力学性能优化技术领域，尤其是涉及一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法。


背景技术：

2.大多数铝及其合金具有低的本征力学强度，利用二维石墨烯优越的面内力学性能，将铝与石墨烯复合可拥有减重，高比强度，比刚度等特性，有望获得优异的综合性能，使石墨烯/铝复合材料成为航空航天和汽车工业等领域有前途和有竞争力的候选材料。先前的研究表明石墨烯/金属复合材料的力学强化机制有，位错在界面塞积、界面载荷传递、orowan强化、界面(模量、几何形状、热膨胀率)失配强化等，说明石墨烯/金属界面相关的强化行为对决定整体力学性能起着至关重要的作用。
3.摩尔条纹(两种材料在三维空间堆叠形成周期性的单元构成)作为石墨烯/金属界面的重要结构特征之一，在石墨烯与过渡族金属体系被大量报道(batzill,m.(2012).surface science reports67(3-4):83-115，yang,m.,et al.(2020).progress in materials science 110:100652)，摩尔条纹与界面的电、磁等内在物理功能性质密切相关。然而，迄今为止，本征石墨烯/金属界面结构在控制石墨烯/金属复合体系力学行为及性能中的关键作用鲜少报道。调研文献发现，在石墨烯/金属界面方面，只在long等人的冲击实验中(long,x.j.,et al.(2016).carbon 103:457-463)，表明石墨烯/铜复合材料中界面位错形核受界面摩尔条纹特征控制。因此，摩尔条纹特征界面对复合材料初始塑性和塑性变形行为的影响值得关注。
4.在金属/金属或陶瓷/金属体系，大量文献报道表明，其界面结构对位错形核行为，即初始塑性，起着重要作用(wang,j.,et al.(2011).current opinion in solid state and materials science15(1):20-28)。甚至文献报道(zuo,j.d.,etal.(2019).acta materialia 174:279-288)，al/aln异相界面促使铝薄膜中形成纳米孪晶，使难以出现变形孪晶的高层错能金属铝中发生孪晶变形并提升了强度。近年来，孪晶工程已被认为是同时获得高强度和高塑性的有效方法，受到许多研究者的青睐。受此启发，倘若在石墨烯/铝体系中，从石墨烯/铝异相界面，特别是石墨烯/铝摩尔条纹特征界面角度出发，调控界面控制初始塑性，从而在基体铝中引入变形孪晶，则有望充分发挥基体铝的强化效应。协同现有的石墨烯/金属界面相关的强化机制以及增强相石墨烯本身的积极贡献，可进一步提升石墨烯/铝复合材料的力学性能，有望满足高性能轻量化金属基复合材料的发展需求。
5.根据初期实验结果(zhang,s.,et al.(2021).materials and design 201:109509)，石墨烯/铝复合材料中观测到摩尔条纹特征界面，分析得到可以通过旋转取向角度产生多种结构形貌的摩尔条纹界面。由于目前实验上研究特定界面的力学行为存在困难。综上所述，本发明通过分子动力学模拟精确构建多类型摩尔条纹特征界面分子动力学复合材料初始模型，研究摩尔条纹特征界面对石墨烯/铝复合材料力学行为及性能的影响。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，通过调控石墨烯与铝之间的界面结构特征，即摩尔条纹特征，使金属基质的变形机制发生转变，使石墨烯/铝金属复合材料的力学性能得到提升，并且为石墨烯增强铝基复合材料提供了一种界面和孪晶共同强化力学性能的新途径；采用分子动力学模拟的研究方法，不但可以有效减少因为实验带来的成本与消耗，还可以直观观察变形演化过程，快速验证摩尔条纹特征界面结构强化设计思想是否可行，模拟结果为实验提供了理论指导。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
8.步骤一、建立分子动力学复合材料初始模型：建立多个石墨烯和铝材料组成的分子动力学复合材料初始模型，每个所述分子动力学复合材料初始模型的界面均为(111)面，所述分子动力学复合材料初始模型包括多个复合材料单元，多个所述复合材料单元由下往上依次叠加，所述复合材料单元包括铝层和设置在所述铝层下方的石墨烯层，所述铝层和石墨烯层之间的初始间距h＝0.858σ；其中，h为铝层和石墨烯层之间的初始间距，σ为石墨烯原子和铝原子之间的作用势等于0时原子间的距离；
9.步骤二、选取特征分子动力学复合材料模型：改变步骤一的多个分子动力学复合材料初始模型中石墨烯与铝之间的相对取向，选取其中不同摩尔条纹特征界面中分别以孪晶变形和位错变形占主导变形的模型，作为特征分子动力学复合材料模型；
10.步骤三、确定特征分子动力学复合材料模型结构：对步骤三中得到的特征分子动力学复合材料模型，设置周期性边界条件，得到大小尺寸相同的特征分子动力学复合材料模型结构；
11.步骤四、对特征分子动力学复合材料模型结构进行应力分析，过程如下：
12.步骤401、对所述特征分子动力学复合材料模型结构进行单轴拉伸应力试验，并确定单轴拉伸的应变范围，得到在单轴拉伸的应变范围内所述特征分子动力学复合材料模型结构的应力值和应变值；
13.步骤402、根据步骤401中得到的数据绘制所述特征分子动力学复合材料模型结构的应力-应变曲线图，分析应力-应变曲线图，得到石墨烯/铝界面的摩尔条纹周期越大，且摩尔条纹单元的对称轴相对于y轴发生倾转时，所述特征分子动力学复合材料模型结构的模型屈服强度更高，应变硬化能力更强。
14.上述的一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，其特征在于：步骤一中，确定分子动力学复合材料初始模型的初始取向：步骤一的分子动力学复合材料初始模型中，所述铝层中的铝的初始取向是x轴为晶向，y轴为晶向，z轴为[111]晶向；所述石墨烯层中的石墨烯的初始取向为锯齿形取向与x轴对齐，扶手椅取向与y轴对齐。
[0015]
上述的一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，其特征在于：所述石墨烯层为单层石墨烯。
[0016]
上述的一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，其特征在于：步骤三中，改变石墨烯与铝之间的相对取向是指沿层界面法线方向旋转石墨烯层的方向；其中，所述层
界面为铝层和石墨烯层组合时形成的界面。
[0017]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0018]
1、本发明通过调控石墨烯与铝之间的界面结构特征，即摩尔条纹特征，使金属基质的变形机制发生转变，使石墨烯/铝金属复合材料的力学性能得到提升，并且为石墨烯增强铝基复合材料提供了一种界面和孪晶共同强化力学性能的新途径。
[0019]
2、本发明采用分子动力学模拟的研究方法，不但可以有效减少因为实验带来的成本与消耗，还可以直观观察变形演化过程，快速验证摩尔条纹特征界面结构强化设计思想是否可行，模拟结果为实验提供了理论指导。
[0020]
综上所述，本发明通过调控石墨烯与铝之间的界面结构特征，即摩尔条纹特征，使金属基质的变形机制发生转变，使石墨烯/铝金属复合材料的力学性能得到提升，并且为石墨烯增强铝基复合材料提供了一种界面和孪晶共同强化力学性能的新途径；采用分子动力学模拟的研究方法，不但可以有效减少因为实验带来的成本与消耗，还可以直观观察变形演化过程，快速验证摩尔条纹特征界面结构强化设计思想是否可行，模拟结果为实验提供了理论指导。
[0021]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0022]
图1为本发明的方法流程框图。
[0023]
图2为本发明石墨烯/铝复合材料不同摩尔条纹特征界面的结构示意图。
[0024]
图3为本发明石墨烯/铝复合材料不同摩尔条纹特征界面的分子动力学模型图。
[0025]
图4为本发明石墨烯/铝复合材料不同摩尔条纹特征界面的微观变形结构图。
[0026]
图5为本发明石墨烯/铝复合材料不同摩尔条纹特征界面的位错密度和孪晶体积含量统计图。
[0027]
图6为本发明石墨烯/铝复合材料不同摩尔条纹特征界面的应力-应变曲线图。
[0028]
附图标记说明:
[0029]
1—石墨烯层；2—铝层；3—孪晶变形；
[0030]
4—位错变形。
具体实施方式
[0031]
如图1至图6所示的一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，该方法包括以下步骤：
[0032]
步骤一、建立分子动力学复合材料初始模型：建立多个石墨烯和铝材料组成的分子动力学复合材料初始模型，每个所述分子动力学复合材料初始模型的界面均为(111)面，所述分子动力学复合材料初始模型包括多个复合材料单元，多个所述复合材料单元由下往上依次叠加，所述复合材料单元包括铝层2和设置在所述铝层2下方的石墨烯层1，所述铝层2和石墨烯层1之间的初始间距h＝0.858σ；其中，h为铝层2和石墨烯层1之间的初始间距，σ为石墨烯原子和铝原子之间的作用势等于0时原子间的距离；
[0033]
步骤二、选取特征分子动力学复合材料模型：改变步骤一的多个分子动力学复合材料初始模型中石墨烯与铝之间的相对取向，选取其中不同摩尔条纹特征界面中分别以孪
晶变形3和位错变形4占主导变形的模型，作为特征分子动力学复合材料模型；
[0034]
步骤三、确定特征分子动力学复合材料模型结构：对步骤三中得到的特征分子动力学复合材料模型，设置周期性边界条件，得到大小尺寸相同的特征分子动力学复合材料模型结构；
[0035]
步骤四、对特征分子动力学复合材料模型结构进行应力分析，过程如下：
[0036]
步骤401、对所述特征分子动力学复合材料模型结构进行单轴拉伸应力试验，并确定单轴拉伸的应变范围，得到在单轴拉伸的应变范围内所述特征分子动力学复合材料模型结构的应力值和应变值；
[0037]
步骤402、根据步骤401中得到的数据绘制所述特征分子动力学复合材料模型结构的应力-应变曲线图，分析应力-应变曲线图，得到石墨烯/铝界面的摩尔条纹周期越大，且摩尔条纹单元的对称轴相对于y轴发生倾转时，所述特征分子动力学复合材料模型结构的模型屈服强度更高，应变硬化能力更强。
[0038]
本发明通过调控石墨烯与铝之间的界面结构特征，即摩尔条纹特征，使金属基质的变形机制发生转变，使石墨烯/铝金属复合材料的力学性能得到提升，并且为石墨烯增强铝基复合材料提供了一种界面和孪晶共同强化力学性能的新途径。
[0039]
本发明采用分子动力学模拟的研究方法，不但可以有效减少因为实验带来的成本与消耗，还可以直观观察变形演化过程，快速验证摩尔条纹特征界面结构强化设计思想是否可行，模拟结果为实验提供了理论指导。
[0040]
需要说明的是，所述分子动力学复合材料初始模型中的x方向、y方向和z方向均为周期性边界，以提供完美的单轴拉伸模型，避免因为边界情况不理想而影响初始塑性行为。
[0041]
步骤一中，每个所述分子动力学复合材料初始模型的界面均为(111)面，其中，(111)面表示的是晶面。
[0042]
步骤二中，根据zeller等人提出的数学模型计算，得到随着相对取向角度改变而变化的摩尔条纹特征周期。选择摩尔条纹特征周期分别为1.15nm,1.74nm,3.08nm,5.20nm,8.90nm,17.49nm的石墨烯/铝界面结构建模。此时不同摩尔条纹特征的石墨烯/铝界面如图2所示，共有6个模型。其中，石墨烯/铝摩尔条纹单元关于y轴的对称性发生变化，如图2中的白色线条所示。摩尔条纹周期为1.74nm和17.49nm的2个模型，摩尔条纹单元关于y轴对称，而其余模型的摩尔条纹单元的对称轴均相对于y轴发生倾转。
[0043]
编写lammps建模程序创建不同摩尔条纹特征界面的石墨烯/铝多层分子动力学模型。z轴单层金属层厚为5.38nm可充分容纳位错等缺陷。用于单轴拉伸力学计算的3层石墨烯/铝交替组成的石墨烯/铝多层模型，如图3所示，其中，图中深色代表石墨烯层，浅色代表铝层。
[0044]
编写单轴拉伸in文件并通过lammps软件进行计算。具体的，在in文件程序中设定初始模拟参数，使用三维模拟模式，计量单位选择metal格式，读入步骤二中所建立的石墨烯/铝多层分子动力学模型，设定石墨烯和铝原子质量，设置三轴为周期性边界条件。步长设置为1fs。定义原子间相互作用力。赋予模型初速度。等温等压系综下进行能量最小化和弛豫处理以结构优化。然后沿x轴单轴拉伸直至总应变达到0.105，单轴拉伸时x、y方向保持为周期性边界，z轴为自由边界条件，y方向压强设为0gpa。输出用于可视化分析变形过程的cfg系列文件。
[0045]
对以上6个模型分别进行单轴拉伸计算衡量石墨烯/铝体系的力学行为。将变形过程的cfg文件通过ovito开源可视化软件分析塑性变形行为，得到不同摩尔条纹特征下模型的微观结构及变形机制，如图4所示，通过colorcoding染色显示；图中显示了位错变形4和孪晶变形3方式。这说明通过改变摩尔条纹特征界面控制了石墨烯/铝复合材料的初始塑性力学行为。并量化各变形载体的含量以明确主导变形机制，如图5所示。即摩尔条纹界面周期为8.90nm时主要以孪晶变形3为主，摩尔条纹周期为1.74nm时，模型的变形方式以位错变形4为主。
[0046]
步骤二中，主导的意思是模型里几乎全为位错变形或者孪晶变形。如图4所示，选出来的两个特征模型，1.74nm的模型中位错密度很高，孪晶体积分数非常低；8.9nm的模型中，只有孪晶变形方式且孪晶体积分数很高。其余模型中位错密度和孪晶体积分数都居中。孪晶还是位错占主导是一个相对值。在位错变形，孪晶变形等变形载体共同承担材料塑性变形时，哪部分变形比重大就可以认为哪部分主导变形；各变形方式比重都差不多时，一般认为是几种变形共同主导塑性变形的。
[0047]
步骤三中，根据步骤二中得到的以位错为主导变形机制的1.74nm模型和以孪晶为主导变形机制的8.90nm模型为基础，利用lammps建模程序创建2种变形机制的石墨烯/铝多层分子动力学模型，设置周期性边界条件，保证模型尺寸大小相同或相近以排除模型尺寸对力学性能的影响，用于比较不同变形机制模型的力学性能。
[0048]
步骤四中，编写单轴拉伸in文件并通过lammps软件进行计算，其中单轴拉伸直至总应变达到0.2，得到输出应力应变数据的txt文件。接着在origin软件中导入得到的应力应变数据txt文件，绘制单轴拉伸下的工程应力-应变曲线图，如图6所示。选用第一个应力峰值作为屈服强度，对比屈服后应力应变曲线的斜率大小衡量应变硬化能力大小。如图6所示，从应力应变曲线图可以看出，8.90nm的模型比1.74nm的模型屈服强度更高，应变硬化能力增强。说明通过调控摩尔条纹特征界面能够提升石墨烯/铝复合材料的力学性能。利用lammps对所述特征分子动力学复合材料模型结构进行力学性能测试时，石墨烯/铝复合材料体系势函数选择混合势hybrid相互作用，铝-铝之间的相互作用采用mishin等人给出的嵌入原子方法势eam来描述。碳原子间作用选用自适应分子间反应经验键序势airebo描述，碳-铝之间相互作用以lennard-joneslj型范德华相互作用描述，势阱深度ε和作用势等于0时原子间的距离σ参数分别为0.035078v和
[0049]
本实施例中，步骤一中，确定分子动力学复合材料初始模型的初始取向：步骤一的分子动力学复合材料初始模型中，所述铝层2中的铝的初始取向是x轴为晶向，y轴为晶向，z轴为[111]晶向；所述石墨烯层1中的石墨烯的初始取向为锯齿形取向与x轴对齐，扶手椅取向与y轴对齐。
[0050]
实际使用时，步骤一中，所述铝层2和石墨烯层1之间的初始间距设置为0.259nm。
[0051]
本实施例中，所述石墨烯层1为单层石墨烯。
[0052]
本实施例中，步骤三中，改变石墨烯与铝之间的相对取向是指沿层界面法线方向旋转石墨烯层1的方向；其中，所述层界面为铝层2和石墨烯层1组合时形成的界面。
[0053]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、建立分子动力学复合材料初始模型：建立多个石墨烯和铝材料组成的分子动力学复合材料初始模型，每个所述分子动力学复合材料初始模型的界面均为(111)面，所述分子动力学复合材料初始模型包括多个复合材料单元，多个所述复合材料单元由下往上依次叠加，所述复合材料单元包括铝层(2)和设置在所述铝层(2)下方的石墨烯层(1)，所述铝层(2)和石墨烯层(1)之间的初始间距h＝0.858σ；其中，h为铝层(2)和石墨烯层(1)之间的初始间距，σ为石墨烯原子和铝原子之间的作用势等于0时原子间的距离；步骤二、选取特征分子动力学复合材料模型：改变步骤一的多个分子动力学复合材料初始模型中石墨烯与铝之间的相对取向，选取其中不同摩尔条纹特征界面中分别以孪晶变形(3)和位错变形(4)占主导变形的模型，作为特征分子动力学复合材料模型；步骤三、确定特征分子动力学复合材料模型结构：对步骤三中得到的特征分子动力学复合材料模型，设置周期性边界条件，得到大小尺寸相同的特征分子动力学复合材料模型结构；步骤四、对特征分子动力学复合材料模型结构进行应力分析，过程如下：步骤401、对所述特征分子动力学复合材料模型结构进行单轴拉伸应力试验，并确定单轴拉伸的应变范围，得到在单轴拉伸的应变范围内所述特征分子动力学复合材料模型结构的应力值和应变值；步骤402、根据步骤401中得到的数据绘制所述特征分子动力学复合材料模型结构的应力-应变曲线图，分析应力-应变曲线图，得到石墨烯/铝界面的摩尔条纹周期越大，且摩尔条纹单元的对称轴相对于y轴发生倾转时，所述特征分子动力学复合材料模型结构的模型屈服强度更高，应变硬化能力更强。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，其特征在于：步骤一中，确定分子动力学复合材料初始模型的初始取向：步骤一的分子动力学复合材料初始模型中，所述铝层(2)中的铝的初始取向是x轴为晶向，y轴为晶向，z轴为[111]晶向；所述石墨烯层(1)中的石墨烯的初始取向为锯齿形取向与x轴对齐，扶手椅取向与y轴对齐。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，其特征在于：所述石墨烯层(1)为单层石墨烯。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，其特征在于：步骤三中，改变石墨烯与铝之间的相对取向是指沿层界面法线方向旋转石墨烯层(1)的方向；其中，所述层界面为铝层(2)和石墨烯层(1)组合时形成的界面。

技术总结
本发明公开了一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法，该方法包括：一、确定分子动力学复合材料初始模型；二、选取特征分子动力学复合材料模型；三、确定特征分子动力学复合材料模型结构；四、对特征分子动力学复合材料模型结构进行应力分析。本发明通过调控石墨烯与铝之间的界面结构特征，使金属基质的变形机制发生转变，使石墨烯/铝金属复合材料的力学性能得到提升，并且为石墨烯增强铝基复合材料提供了一种界面和孪晶共同强化力学性能的新途径；采用分子动力学模拟的研究方法，不但可以有效减少因为实验带来的成本与消耗，还可以直观观察变形演化过程，快速验证摩尔条纹特征界面结构强化设计思想是否可行，模拟结果为实验提供了理论指导。提供了理论指导。提供了理论指导。


技术研发人员：张霜 唐岩 彭浩然 董龙龙
受保护的技术使用者：西北有色金属研究院
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/6