ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СКОМКАННОГО ГРАФЕНА ДВУХ МОРФОЛОГИЙ
Автор: Полина Викторовна Полякова
Соавторы: Баимова Ю.А.
Организация: Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
Рис. 1. (а) Кривые напряжение–деформация при одноосном растяжении вдоль направления x для скомканного графена двух морфологий. (б) Структуры в критических точках
В последнее время значительное внимание исследователи уделяются скомканному графену —новому типу углеродного волокна, состоящему из множества монослоев смятых листов графена, поскольку подобные соединения обладают высокой прочностью и малым весом. В данной работе методом молекулярной динамики исследован скомканный графен двух морфологии, проведен анализ влияния структурных особенностей на механические свойства, такие как предел прочности и модуль Юнга.
В качестве исходной структуры выбран скомканный графен двух различных морфологий. Структура А – чешуйки одной и той же формы, одинакового размера (монодисперсная), структура Б – графеновые чешуйки разных размеров и форм (полидисперсная). Для получения структуры близкой к реальной форме чешуек этот образец выдерживается при комнатной температуре в течение 100 пс. Далее применяется гидростатическое сжатие (εxx = εyy = εzz = ε) при 300 К. Для исследования механических свойств рассматриваемых структур проводится одноосное растяжение вдоль осей х, y и z с постоянной скоростью деформации 0,005 пс-1. Все расчеты проводятся с использованием пакета LAMMPS и межатомного потенциала AIREBO [1].
На рис. 1 для сравнения представлены кривые напряжение-деформация для одноосного растяжения вдоль оси x для двух структур. Это направление растяжения было выбрано в качестве показательного, поскольку все полученные кривые напряжение-деформация (вдоль осей х, у, z) аналогичны, то есть материал изотропный.
Видно, что существует значительная разница в деформационном поведении этих двух структур. Монодисперсная структура А имеет почти в два раза большую критическую деформацию и предел прочности, что можно объяснить тем, что все чешуйки в процессе сжатия объединились в более однородную структуру, а равенство чешуек (по размерам) позволило получить гораздо больше sp3-связей на краях чешуек.
Установлено, что при неупругой деформации монодисперсный смятый графен обладает более высокой прочностью и может растягиваться до больших удлинений. Для двух структур были получены достаточно высокие пределы прочности [2].
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (грант № 20-72-10112).
1. Stuart, S.J.; Tutein, A.B.; Harrison, J.A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // J. Chem. Phys. 2000. V. 112. P. 6472–6486
2. Baimova, J.A.; Polyakova, P V.; Shcherbinin, S.A. Effect of the Structure Morphology on the Mechanical Properties of Crumpled Graphene Fiber // Fibers. 2021. V. 9. P. 85.