一种石墨烯/铝复合材料力学性能的预测方法与流程

本发明属于石墨烯增强金属基复合材料的力学性能优化，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：

1、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。

2、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 inmaterials 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。

3、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 stateand materials science15(1):20-28)。甚至文献报道(zuo,j.d.,etal.(2019).actamaterialia 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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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：

7、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；

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、本发明与现有技术相比具有以下优点：

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。