五石墨烯在不同載荷條件下的變形和斷裂機制尚不清楚，也沒有深入研究。因此，利用分子動力學模擬的獨立納米壓痕技術(shù)，研究了五石墨烯的力學和過渡/破壞變形特性。考慮球形和圓柱形壓頭尺寸、加載速率和溫度的影響，對五石墨烯在球形和圓柱形壓頭下的壓痕行為進行了參數(shù)化比較和分析。結(jié)果表明，在球形和圓柱形壓痕下，五石墨烯表現(xiàn)出不同尋常的塑性變形特征，這與之前在單軸拉伸和剪切載荷下觀察到的特征一致。塑性變形源于在大壓痕深度處發(fā)生的五邊形到多邊形的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。五石墨烯在球形壓頭下的破壞力明顯低于圓柱形壓頭下的破壞力;這是由于球形壓頭的相互作用面積小，應(yīng)力集中程度高。我們還確定了壓痕參數(shù)，以準確預(yù)測使用球形或圓柱形壓痕的五石墨烯的力學參數(shù)，以及這些參數(shù)如何影響納米壓痕結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，在球形壓頭和圓柱壓頭下，五石墨烯的楊氏模量對加載速率不敏感，但總體上隨著溫度的升高而降低。
圖1. 五石墨烯原子結(jié)構(gòu)示意圖及壓痕MD模擬模型。 2 × 2的五石墨烯超晶胞的(a)側(cè)視圖和(b)俯視圖;獨立的五石墨烯(c)球形和(d)圓柱形壓痕。
圖2. 石墨烯在(a)球形壓痕和(b)圓柱形壓痕下的力-壓痕深度曲線。
圖3. 五石墨烯在(a)球形和(b)圓柱壓痕下的力-壓痕深度曲線。
圖4. 球形壓痕下五石墨烯的斷裂擴展。(a) δ= 0 nm (b) δ= 4.7 nm (c) δ= 11.1 nm (d) δ= 15.4 nm。頂部和中間行分別代表五石墨烯壓痕的側(cè)面和頂部視圖，底部行顯示靠近壓痕的局部放大原子構(gòu)型。
圖5. 五石墨烯在圓柱壓痕下的失效演化。(a) δ= 0 nm (b) δ= 9.97 nm (c) δ= 14.98 nm (d) δ=21.01 nm。頂部和中間行分別與五石墨烯壓痕的側(cè)面和頂部視圖相關(guān)，底部行顯示靠近壓痕或邊緣的局部放大原子構(gòu)型。
圖6. 不同壓痕深度下(a)球形壓痕和(b)圓柱形壓痕的五石墨烯的面內(nèi)應(yīng)力分布。
圖7. 不同壓痕參數(shù)對五石墨烯楊氏模量的影響。(a)球形壓痕下楊氏模量與a/R的關(guān)系，(b)圓柱形壓痕下楊氏模量與L/R的關(guān)系，(c) 固定a/R，球形壓痕下楊氏模量與a的關(guān)系，(d) L和R固定，圓柱形壓痕下楊氏模量與W/L的關(guān)系，(e)楊氏模量與加載速率的關(guān)系，(f)楊氏模量與溫度的關(guān)系。
相關(guān)研究成果由江蘇大學土木工程與力學學院Tongwei Han等人于2023年發(fā)表在Mechanics of Materials (https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2023.104628 )上。原文：Free standing nanoindentation of penta-graphene via molecular dynamics: Mechanics and deformation mechanisms
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
