【摘 要】
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铝基复合材料凭借质量轻和强度高的特点被广泛应用在机械工业和航空航天领域,而石墨烯以良好的力学性能和超高的比表面积被认为是金属复合材料中的理想增强体。相关研究表明,石墨烯增强体在金属基复合材料的界面载荷传递以及塑性变形中起着重要作用,但关于石墨烯增强铝基复合材料的力学性能和微观研究仍缺乏系统的分析。本文采用分子动力学方法研究了石墨烯/铝基复合材料在拉伸、压缩和纳米压痕载荷作用下的力学响应,探究了铝基
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铝基复合材料凭借质量轻和强度高的特点被广泛应用在机械工业和航空航天领域,而石墨烯以良好的力学性能和超高的比表面积被认为是金属复合材料中的理想增强体。相关研究表明,石墨烯增强体在金属基复合材料的界面载荷传递以及塑性变形中起着重要作用,但关于石墨烯增强铝基复合材料的力学性能和微观研究仍缺乏系统的分析。本文采用分子动力学方法研究了石墨烯/铝基复合材料在拉伸、压缩和纳米压痕载荷作用下的力学响应,探究了铝基体层厚、石墨烯的尺寸及分布对其破坏变形的影响。主要研究内容如下:（1）对石墨烯/铝基复合材料的基体层厚进行调控,研究其在单轴拉压载荷下的力学响应。通过分析位错与载荷分布情况探究石墨烯/铝基复合材料的弹塑性变形,阐明了石墨烯/铝基复合材料在单轴拉压载荷下破坏机制。结果表明:在拉伸载荷下,添加石墨烯可以在不影响屈服应变的基础上,显著增强铝基复合材料的屈服强度,并且铝基体层厚越小,增强效果越明显。这是因为石墨烯具有高比强度的特点,在拉伸过程中承担大部分载荷。在塑性变形过程,石墨烯阻碍了铝基体的位错滑移和运动,变形过程中单个铝层基体几乎不受邻铝层变形的影响。同时,石墨烯/铝基复合材料的拉伸屈服强度和屈服应变表现出对温度的依赖性,温度的升高会导致屈服强度和屈服应变的降低。在压缩载荷下,石墨烯/铝基复合材料的屈服强度随基体厚度减小而增大,但石墨烯的加入会使材料的屈服应变大大降低,原因是石墨烯的二维结构受压后会产生褶皱。（2）研究了石墨烯的尺寸和分布对石墨烯/铝复合材料裂纹扩展的影响。结果表明:石墨烯尺寸对裂纹扩展的促进或抑制作用的转变存在一个临界值,当石墨烯尺寸l≤3.35nm时,石墨烯的存在会促进裂纹扩展,并且石墨烯对裂纹扩展的促进作用随石墨烯与裂纹的相对距离增大而减弱;当石墨烯尺寸l＞3.35 nm时,石墨烯可以阻碍裂纹扩展并且限制亚裂纹处产生的位错滑移,使裂纹扩展被抑制。除此之外,还发现石墨烯分布角度可以有效调控裂纹扩展路径。（3）采用分子动力学方法对周期性和非周期性的石墨烯/铝基复合材料进行纳米压痕模拟,并从位错相互作用角度来分析复合材料在受到局部载荷时体系的微观塑性变化情况。对比两种不同边界条件下的结果发现,周期性边界下的石墨烯/铝基复合材料抵抗变形效果更好,而非周期边界条件的石墨烯/铝基复合材料在局部受压后易出现“台阶”,更符合物理现象。本研究从微观角度对石墨烯/铝基复合材料的破坏形式进行了研究,有助于理解该材料的失效机制,为设计优异力学性能的石墨烯/铝基复合材料提供一定参考依据。
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