【摘 要】
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石墨烯是一种由碳原子组成的蜂窝状二维材料,具有优异的热力学性能、机械性能、电学性能。自2004年问世以来,众多学者、研究人员对其展开了广泛的研究。有关石墨烯材料的研究已取得了令人振奋的成果且仍在不断地蓬勃发展。未来石墨烯在纳米电子器件、复合材料、传感器件、半导体材料等高科技领域将具有十分广泛的应用。近些年来,为进一步提升及调整石墨烯性能,人们将六方氮化硼（h-BN）掺杂到石墨烯中,合成了一种新型的
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石墨烯是一种由碳原子组成的蜂窝状二维材料,具有优异的热力学性能、机械性能、电学性能。自2004年问世以来,众多学者、研究人员对其展开了广泛的研究。有关石墨烯材料的研究已取得了令人振奋的成果且仍在不断地蓬勃发展。未来石墨烯在纳米电子器件、复合材料、传感器件、半导体材料等高科技领域将具有十分广泛的应用。近些年来,为进一步提升及调整石墨烯性能,人们将六方氮化硼（h-BN）掺杂到石墨烯中,合成了一种新型的二维复合材料,即本文的主角h-BNC材料。材料合成过程中石墨烯的碳原子被氮原子和硼原子所取代在石墨烯中形成B-N键及全新的C-B和C-N键,从而获得一种力学性能不同于石墨烯的新型二维复合材料。目前这种新型二维复合材料的制备工艺已经相当成熟,石墨烯中氮原子、硼原子的掺杂比率以及掺杂形状都可以自由调控。本课题运用分子动力学模拟的方法,研究在石墨烯中掺杂氮原子及硼原子的浓度（α）以及掺杂尺寸（L）对新型二维复合材料本构关系,力学性能及断裂行为的影响。本课题研究工作总结如下:（1）通过分别控制B、N原子的掺杂率（:0%-40%）以及掺杂区域尺寸（L:0.246nm-1.23nm）,探究复合材料的拉伸性能并通过理论分析建立了二维非线性本构关系。研究结果表明,随着B、N原子掺杂率（）的增加等效弹性模量（Ye）线性下降。与此同时,由于Ye与含量密切相关及C-B键对材料断裂应变的影响,断裂应变随着的增长而降低。此外本文还对二维复合材料的断裂机理进行了有益探讨,并对自由边界条件效应进行了深入的研究。结果显示自由边界条件能显著降低二维纳米材料的弹性模量（Ye）和断裂应力,但显著提高其断裂韧性。（2）通过分别控制B、N原子的浓度（:0%-40%）以及掺杂尺寸（L:0.246nm-1.23nm）,探究材料的剪切性能及薄膜褶皱的特性。首先比较了AIREBO与Tersoff两种势函数对石墨烯的适用性,采用Tersoff势函数模拟的结果显示增加B、N原子的掺杂率α与掺杂尺寸L可显著降低材料的剪切断裂应力,提升掺杂率α还可降低材料的剪切模量。此外研究发现断裂起源于C-B键,表明h-BNC材料中的C-B为最薄弱的结合键,因此C-B键数量的增加导致剪切断裂应力降低。最后模拟显示增加B、N原子的掺杂率可以使得h-BNC材料的褶皱高度A与A/λ的值降低,同时发现温度的升高可以削弱h-BNC材料的变形能力。
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