湛家銘 姚小虎 李旺輝

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640)

基于分子動力學的石墨烯/碳化硅復合材料力學性能研究*

湛家銘 姚小虎?李旺輝

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640)

為揭示復合材料在拉伸過程中的破壞機理，對石墨烯/碳化硅復合材料的拉伸力學性能進行了分子動力學模擬.研究結果表明:石墨烯與碳化硅接觸的界面結構會影響復合材料的整體力學性能;相較于純碳化硅，石墨烯/碳化硅復合材料在拉伸時，損傷更容易在界面處成核并生長;當石墨烯與碳化硅通過不同界面接觸時，石墨烯與基底之間的不同相互作用使復合材料有不同的力學性能，相較于石墨烯直接與碳化硅的C表面接觸，當石墨烯與Si原子接觸時復合材料有更高的強度和失效應變．

分子動力學;石墨烯;單軸拉伸;復合材料；力學性能；界面影響

石墨烯作為一種新型材料，由于具有出色的電學、熱學和力學性能而被廣泛應用于金屬、非金屬材料中[1- 3].陶瓷基復合材料是將石墨烯摻雜到碳化硅(SiC)、Al2O3等陶瓷材料中，形成具有特殊結構和性質的復合材料[4- 6].石墨烯的存在使復合材料的基相在力學、導電導熱和其他方面的特性上都有較大的改變[7- 8]，從而使碳化硅在工程上具有更為普遍的適用性．

對石墨烯/碳化硅復合材料在制備和實驗上的研究主要集中在電學[7]、熱學[8]方面，對其力學性能的研究鮮有報道.大量關于石墨烯復合材料的研究表明，石墨烯可以提高其復合材料基相的斷裂韌性、彎曲強度等力學特性[9- 12].對于石墨烯自身，單層石墨烯在單軸拉伸時表現(xiàn)出來的力學性能比多層石墨烯在相同加載條件下更為優(yōu)秀[13].另外，在大部分的石墨烯增強復合材料中，界面結構是整體物理特性的重要影響因素[8，14- 15].因此，揭示單層石墨烯/碳化硅復合材料在單軸拉伸下的破壞機制，以及界面結構在拉伸過程中扮演的角色，對于現(xiàn)階段研究來說很有必要．

為揭示單層石墨烯/碳化硅復合材料在拉伸過程中的破壞機理，文中采用分子動力學方法對該復合材料進行拉伸模擬，通過改變石墨烯和碳化硅接觸的界面結構來分析其對復合材料整體力學性能的影響．

1 物理模型及研究方法

文中拉伸模擬采用的坐標系統(tǒng)及復合材料的三維(3D)結構尺寸見圖1(圖中灰色部分為Si原子，白色部分為C原子，a1=b1=c1=4.358 1×10-10m)，其中碳化硅沿著y軸方向鋪設的是扶手椅型石墨烯.為了保證模型周期性以及弱化晶格失配，碳化硅尺寸為9.6 nm×17.4 nm×8.7 nm，石墨烯尺寸為9.6 nm×17.9 nm×0.34 nm.碳化硅的原子間以及碳化硅與石墨烯之間的相互作用采用Tersoff勢表示[16- 17]，石墨烯的勢函數(shù)采用AIREBO勢[18].拉伸模擬的單層石墨烯/碳化硅模型如圖2(a)所示.為了研究界面結構對石墨烯/碳化硅復合材料拉伸的影響，按照單層石墨烯兩邊的原子類型的不同，將其分為3種結構模型，即Ⅰ結構(石墨烯兩側與Si原子接觸)、Ⅱ結構(石墨烯兩側分別是Si和C表面)和Ⅲ結構(石墨烯兩側與C原子接觸)，如圖2(b)所示．

圖1 拉伸模擬的坐標系統(tǒng)及復合材料的三維原子結構圖

Fig.1 Coordinates system for tensile simulation and the 3D atomic configuration of SiC/graphene composites

圖2 石墨烯/碳化硅復合材料的平面結構圖

Fig.2 Planar configurations of graphene/SiC composites

在模擬拉伸前，將模型置于300 K的恒溫恒壓(NPT)系統(tǒng)中進行弛豫.該系統(tǒng)為周期性邊界，應力采用Virial格式計算，應變采用工程應變(l-l0)/l0表示．

2 計算結果與分析

2.1 單層石墨烯/碳化硅復合材料的拉伸

在SiC的(001)面鋪設石墨烯，并沿著[010]方向進行拉伸(見圖2(a))，計算得到的部分力學參數(shù)見表1.對于彈性模量，由于石墨烯的含量較低，體積分數(shù)僅為3.87%，因此材料彈性模量的改變較小，對其他量的影響可忽略不計，文中不再進行討論.失效應變是材料應力急劇下降時的應變.碳化硅和石墨烯的失效應變分別為0.340、0.290，添加石墨烯后，復合材料的失效應變?yōu)?.293.同理，復合材料的拉伸強度比碳化硅的拉伸強度要低．

表1 石墨烯、碳化硅及其復合材料的模擬力學參數(shù)

Table 1 Simulated mechanical properties of graphene，SiC and their composites

模型彈性模量/TPa拉伸強度/GPa失效應變SiC(001)040170900340G/SiC(001)041570050293石墨烯0920149300290

碳化硅晶胞為閃鋅礦(ZB)結構，當碳化硅單晶內部出現(xiàn)損傷，即部分原子無法構成完整的ZB結構時，可以把這些原子數(shù)定義為拉伸過程中碳化硅內部出現(xiàn)的損傷.圖3是碳化硅在拉伸過程中出現(xiàn)的損傷演化yz平面圖，從拉伸應變ε=0.310時刻開始，單晶碳化硅局部出現(xiàn)缺陷，缺陷成核并沿著{111}晶面擴展，最終在{111}面形成滑移面，這與文獻[19]的研究結果相同.由于初始模型是完美晶體，因此初始缺陷的出現(xiàn)位置是隨機的．

圖3 碳化硅的損傷演化圖

圖4是單層石墨烯/碳化硅復合材料在拉伸過程中出現(xiàn)的損傷演化圖，初始時材料基本上是完美晶體.在ε=0.250時，可以看到石墨烯和碳化硅的界面處有損傷.當ε=0.275時，可以明顯看到缺陷從界面處沿著{111}面生長，并在ε=0.300時復合材料基本失效.與單晶碳化硅相比，復合材料在拉伸過程中出現(xiàn)的損傷在界面成核，而不是隨機形成的.復合材料中的碳化硅滑移面和純碳化硅的滑移面相同，均為{111}，由于在模擬中，沿著[010]方向的剪應力不為0，因此斷裂面與{111}面形成一定的夾角．

圖4 石墨烯/碳化硅的損傷演化圖

圖5是單層石墨烯在拉伸過程中出現(xiàn)的損傷演化圖，由應力應變分析知道，石墨烯的失效應變在0.290左右，當ε=0.275時，石墨烯層內出現(xiàn)缺陷并伴隨著局部扭曲，在ε=0.285時出現(xiàn)大面積損傷然后斷裂．

圖6是復合材料中的石墨烯在拉伸過程中出現(xiàn)的損傷演化圖.當ε=0.275時，石墨烯層盡管沒有開始斷裂，但已經出現(xiàn)了大量缺陷，這是因為碳化硅與石墨烯的延展率不同而有相對運動趨勢，同時界面處存在的強鍵和摩擦作用，使得局部應力集中從而導致缺陷的形成.在ε=0.285(石墨烯單層斷裂應變)時，復合材料中的石墨烯出現(xiàn)斷裂．

圖5 石墨烯的損傷演化圖

圖6 緩沖層石墨烯的損傷演化圖

綜上所述，由于石墨烯和碳化硅的延展性不同，且石墨烯與基底的Si-表面之間有強鍵作用，在材料拉伸過程中，石墨烯會形成大量缺陷，但受到兩側碳化硅的約束而沒有發(fā)生翹曲;對于碳化硅晶體，與石墨烯接觸的界面處損傷成核，并沿著{111}晶面生長到最終破壞．

2.2 界面結構的影響

對3種有不同界面的復合材料模型進行拉伸模擬，得到的應力-應變曲線如圖7所示，力學參數(shù)的計算結果見表2．

從表2可知:3種結構模型的彈性模量比較接近，說明在系統(tǒng)模擬的環(huán)境條件相同時，界面結構對彈性模量的影響不大;3種模型中Ⅲ結構有更高的拉伸強度，Ⅰ結構的拉伸強度最低(σⅢ>σⅡ>σⅠ)，材料的失效應變與拉伸強度有相同的趨勢(εⅢ>εⅡ>εⅠ).對于Ⅰ結構，石墨烯兩側都會形成強共價鍵(Si—C鍵)，而其余兩種結構含有相對較弱的C—C作用[20].碳化硅對石墨烯的約束(或石墨烯對碳化硅的約束)按照Si—C鍵的比例來看，有Ⅰ結構>Ⅱ結構>Ⅲ結構，因此，從計算結果可知:對于延展性能不同的石墨烯與碳化硅，界面接觸處約束越大，整體的失效應變及拉伸強度越小，即更強的約束會導致結構更低的拉伸強度和失效應變.下面通過損傷分析來從結構上給出產生這種結果的原因．

圖7 3種不同結構的石墨烯/碳化硅復合材料的拉伸應力-應變曲線

Fig.7 Stress-strain curves of three SiC/graphene composites with different structures

表2 3種模型的模擬力學性質

圖8給出了3種結構復合材料的損傷演化圖.為了更方便地比較3種結構在拉伸過程中的損傷產生情況，文中定義損傷分數(shù)ω為不能夠組成ZB結構的部分原子占總原子的比例，結果見表3．

當ε=0.250時，3種結構的復合材料在界面處都僅含有少量的損傷，其中Ⅲ結構的損傷分布較為零散，而Ⅱ和Ⅰ結構的損傷分布較為集中.當ε=0.270時，3種結構的復合材料在界面處的損傷都開始逐漸生長，Ⅲ結構的界面損傷仍然比較分散，均勻地分布在界面附近;Ⅱ結構的碳化硅在界面接觸處明顯出現(xiàn)了集中的局部損傷生長，生長的晶面是{111}面;Ⅰ結構在界面處有局部損傷集中，且形成的損傷比Ⅱ結構稍多.當ε=0.280(接近材料的失效應變)時，Ⅰ結構沿著{111}面出現(xiàn)了大面積的損傷，這些損傷是導致結構最終破壞的直接原因;Ⅱ結構也出現(xiàn)了大面積的損傷，但損傷數(shù)量小于Ⅰ結構.由此可以從結構上來解釋圖7中的應力-應變曲線:對于Ⅰ結構界面，石墨烯形成的Si—C鍵約束碳化硅的變形，由于兩者彈性模量不同，因此在相對運動過程中會產生損傷;對于Ⅲ結構界面，兩側均為C—C作用，相比Si—C鍵弱，因此損傷的生長速率小于Ⅰ結構界面.3種結構界面的拉伸強度和失效應變存在以下關系:

圖8 3種不同結構的石墨烯/碳化硅復合材料的損傷演化圖

Fig.8 Damage evolution of three SiC/graphene composites with different structures

表3 3種不同結構的石墨烯/碳化硅復合材料的損傷分數(shù)

Table 3 Damage fraction of three SiC/graphene composites with different structures

εω/%Ⅰ結構Ⅱ結構Ⅲ結構0250202227027043404002801057653

σⅢ>σⅡ>σⅠ

(1)

εⅢ>εⅡ>εⅠ

(2)

4 結論

文中利用分子動力學方法對石墨烯/碳化硅復合材料的拉伸力學行為進行研究，得到如下結論:

(1)純碳化硅的拉伸損傷是隨機出現(xiàn)在碳化硅內部，并迅速成長從而形成滑移面，而含有石墨烯的碳化硅損傷會在界面成核并擴展最終形成滑移面.從應變和拉伸強度角度看，石墨烯與碳化硅基底之間有強鍵的作用，這種作用使得碳化硅在界面出現(xiàn)損傷，并迅速生長，同時石墨烯出現(xiàn)大量缺陷，這些都是導致材料破壞的直接因素．

(2)文中通過改變界面結構來改變石墨烯與碳化硅之間的作用，石墨烯直接與碳化硅的C表面接觸會比與Si原子接觸有更高的拉伸強度和失效應變，也就是對于單層石墨烯/碳化硅復合材料，可以通過減弱石墨烯與碳化硅之間的耦合作用來提高材料整體的拉伸強度．

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A Probe into Mechanical Properties of Graphene/ SiC Composites Based on Molecular Dynamics

ZHANJia-mingYAOXiao-huLIWang-hui

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology,Guangzhou 510640, Guangdong, China)

In order to discover the underlying mechanisms of tensile fracture of composites, the tensile mechanical properties of graphene/SiC composites are simulated on the basis of molecular dynamics (MD).The results show that (1) the interface between graphene and SiC may affect the mechanical properties of the whole composite systems; (2) in comparison with the damage of bulk SiC systems, the damage of the composites tends to nucleate and grow on the interface in the tension process; (3) graphene/SiC composites with different interface structures po-ssess different mechanical behaviors due to the various interaction between graphene and SiC; and (4) in comparison with the contact of grapheme sheet with C surface, the direct contact of single graphene sheet with Si in the substrate results in higher strength and failure strain.

molecular dynamics; graphene; uniaxial tension; composite; mechanical property; interface effect

2017- 01- 16

國家自然科學基金資助項目(11672110,11372113) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(11672110,11372113)

湛家銘(1993-),男,博士生,主要從事計算力學方法和分子模擬研究.E-mail:zhan.jm@mail.scut.edu.cn

?通信作者: 姚小虎(1974-),男,博士,教授,主要從事計算力學方法和分子模擬研究.E-mail:yaoxh@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)05- 0135- 06

O 346

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.019