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摘要

铝基复合材料由于其质轻高强的特点, 是机械工业和航空航天工程中最重要的材料之一. 而石墨烯因其优异力学性能和高比表面积等特点，被作为金属基复合材料的理想增强相. 然而，目前石墨烯在铝基复合材料中对裂纹扩展影响的机制尚不清晰, 制约了其在铝基复合材料的设计和应用. 本文采用分子动力学模拟方法研究了石墨烯的尺寸和分布对铝基复合材料中裂纹扩展的影响. 研究结果表明, 当石墨烯尺寸 l≤ 3.35 nm时, 在拉伸过程中产生的亚裂纹促进了裂纹扩展。值得注意的是，这种促进作用随着石墨烯与裂纹的距离增大而减弱. 当石墨烯尺寸 l> 3.35 nm时, 石墨烯阻碍了裂纹的扩展和亚裂纹位错的滑移. 此外, 石墨烯的分布和角度可以有效地改变裂纹扩展路径. 本研究的结果有助于理解石墨烯在其铝基复合材料中的破坏失效的作用, 为设计高性能石墨烯/铝基复合材料提供一定参考依据.

关键词:

Abstract

Aluminum-based composite material is one of the most important candidate materials in the mechanical industry and aerospace engineering due to its light weight and high strength. Graphene is an ideal reinforcement for composite materials for its excellent mechanical properties. Till-now, the contribution of graphene sheets in the process of crack propagation in composites is not clear. In present work, the effects of graphene size and distribution in graphene/aluminum composites are explored using molecular dynamics simulation methods. It is found that when the length of graphene flake is less than 3.35 nm, the generated sub-cracks in the composite is benefit to the crack propagation. This effect reduces the mechanical properties of composite. When the length of graphene flake is greater than 3.35 nm, graphene sheet impedes the crack propagation and dislocates slip at sub-cracks. In addition, the distribution of graphene flakes angle changes the crack propagation path. Our findings also provide insights into ways to optimize mechanical properties of graphene/aluminum composites.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:李志辉,zhli0097@x263.net; 赵军华,junhua.zhao@163.com

基金项目:国家自然科学基金 (批准号: 11502217)和载人航天工程技术课题“ 大型航天器飞行与再入监视预报系统研制” (批准号: 2020-ZKZX-5011)资助的课题.

Authors and contacts

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Corresponding author:Li Zhi-Hui,zhli0097@x263.net; Zhao Jun-Hua,junhua.zhao@163.com

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11502217), and the Manned Space Engineering Technology “Development of Large-scale Spacecraft Flight and Reentry Surveillance and Prediction System”, China (Grant No. 2020-ZKZX-5011).

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施引文献

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模型名称	l/nm	δ/nm	模型名称	l/nm	δ/nm
Pure Al	0	0	B-Gr/Al-2	5.43	1.72
A-Gr/Al-1	0.97	1.72	B-Gr/Al-3	7.53	1.72
A-Gr/Al-2	1.49	1.72—4.96	B-Gr/Al-4	9.92	1.72
A-Gr/Al-3	2.64	1.72	B-Gr/Al-5	15.22	1.72
A-Gr/Al-4	3.35	1.72	p-Gr/Al	20.25	1.72
B-Gr/Al-1	4.18	1.72—4.96

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	相互作用的原子
L-J势函数参数	Al-Al^[31]	C-C^[32]	Al-C^[29,30]
σ/Å	2.6200	3.4070	3.0135
ε/eV	0.4157	0.00296	0.0351

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