【摘 要】
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石墨烯是一种具备非凡电、热和力学性能的优秀材料.基于石墨烯独特的二维结构,石墨烯在应变下表现出丰富的几何形状和很大的可塑性,结构的改变也将导致其热性能随之产生较大的变化,从而有可能在热整流领域获得应用,因此不同结构下的石墨烯具备的力热特性成为研究的热点,人们在石墨烯纳米带的拉伸力学特性和非对称结构热整流性上的研究已有不少进展,但对含不同位置缺陷的非对称石墨烯纳米带以及具备分形结构的非对称石墨烯纳米
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石墨烯是一种具备非凡电、热和力学性能的优秀材料.基于石墨烯独特的二维结构,石墨烯在应变下表现出丰富的几何形状和很大的可塑性,结构的改变也将导致其热性能随之产生较大的变化,从而有可能在热整流领域获得应用,因此不同结构下的石墨烯具备的力热特性成为研究的热点,人们在石墨烯纳米带的拉伸力学特性和非对称结构热整流性上的研究已有不少进展,但对含不同位置缺陷的非对称石墨烯纳米带以及具备分形结构的非对称石墨烯纳米带的相关热学性能的研究还较为单薄,对这些内容的研究在力学和传热理论甚至其实际应用上都有明显的意义.本文采用分子动力学方法和AIREBO作用势,研究了非对称三角形石墨烯片中缺陷位置对拉伸过程中形变及热输运现象的影响,此外还对分形Sierpinski三角形石墨烯模型的力、热性能进行了初步计算和分析.计算结果表明:(1)在拉伸过程中,非对称三角形石墨烯片及分形Sierpinski三角形石墨烯的拉伸应力在石墨烯片中为非均匀分布.非对称三角形石墨烯片的拉伸应力从三角石墨烯片的顶角端逐步向底边宽端传递,且应力更多集中于沿石墨烯片的中间部位传递,而很少沿三角形边缘扩散,缺陷位置对三角石墨烯片内原子的应力分布有明显的调控效果,紧邻缺陷的原子应力一般大于垂直于拉伸方向的同水平位置处稍远离缺陷部位处原子的应力;分形Sierpinski三角形石墨烯的拉伸应力先从顶角端附近增长,然后逐渐向底边宽端传递,且在整个拉伸过程中顶角端附近的原子应力大于底边宽端的应力,拉伸应力主要顺着拉伸方向沿外边缘传递.(2)对于非对称三角形石墨烯片,无缺陷三角石墨烯片随石墨烯片尺寸增大,其断裂应变率单调下降,一定尺寸非对称石墨烯中含缺陷一般可提升其断裂应变率;对于分形Sierpinski三角形石墨烯,其尺度越小,拉伸刚度越大,同时分形类型的缺陷分布可使较大尺寸的Sierpinski三角形石墨烯有更好的柔性(flexibility),但其断裂应变率却反而随尺寸增大而降低.(3)在非对称三角石墨烯中,缺陷不利于物质的热传导,所有含缺陷三角石墨烯片的热导率均小于其对应的不含缺陷的三角石墨烯片的热导率,随着缺陷向窄端移动,三角形石墨烯片的导热能力也随之持续降低,缺陷虽降低石墨烯片的传热能力,但却可增强石墨烯片非对称传热方向导热性能的差异,使得非对称材料的热整流效应提高;对于分形Sierpinski三角形石墨烯片,其导热能力与原子数相当的正常石墨烯导热能力相近,且与形状相似的常规三角形石墨烯相比,其热整流性能可能更好.
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