硼氮掺杂石墨炔力学及热学性能的数值研究

来源 :石家庄铁道大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wiltonx
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丰富多样的石墨炔纳米材料得到了科研工作者的广泛关注。最近有研究发现,通过向石墨炔掺杂硼氮(BN)原子,使其吸光率和氧化还原反应等能力得到了极大地提升。然而,硼氮掺杂会对石墨炔材料力学及热学性能产生何种影响目前仍未有相关报道。本文利用分子动力学方法对BN掺杂石墨炔的力学及热学性能进行了系统性的研究。具体内容如下:首先分析了BN掺杂浓度对石墨炔力学性能的影响。结果表明,在温度为T=300 K时,BN原子的掺杂会导致石墨炔材料由脆性破坏转变为韧性破坏,经过微观结构分析后发现脆韧转变的主要原因是由于BN原子掺杂进石墨炔原胞后会导致石墨炔材料在拉伸过程中产生大量的三角形结构,三角形结构的产生增强了石墨炔材料的抗破坏能力。同时还发现,当BN原子的掺杂浓度低于50%(λ<50%)时,随着BN掺杂浓度的提高,石墨炔材料的极限应力是呈现逐渐降低的趋势的。当BN掺杂浓度增加到50%(λ≥50%)以后,其极限应力又会随BN掺杂浓度的降低呈现单调增加的趋势;接下来讨论了温度的影响,当λ≤50%,随着温度的升高,石墨炔会表现出更加明显的塑性行为。当50%<λ≤83.3%时,温度对其力学行为的影响较小。而当λ=100%时,随着温度的升高,其破坏应变迅速降低;应变率对石墨炔的影响较小,主要表现在随应变率的下降,石墨炔的极限应力呈下降趋势。进一步对BN掺杂石墨炔纳米管(GNT)的力学性能进行研究。和二维石墨炔不同的是拉伸过程中GNT没有三角结构的形成,BN掺杂浓度较低(λ<50%)时,GNT为塑性破坏,但破坏特征并不明显。当50%≤λ<83.3%时,GNT具有明显的塑性破坏阶段。当λ=100%,GNT表现为脆性破坏。极限应力也随BN的掺杂呈先下降后上升的趋势。随着温度的升高,GNT的极限应力逐渐降低,破坏应变先下降后上升。当λ=100%时,GNT变成硼氮炔纳米管,极限应力和破坏应变随温度的升高下降。GNT的极限应力随应变率的下降而下降。最后,研究了BN掺杂对石墨炔及石墨炔纳米管热学性能的影响。结果表明,随着BN掺杂浓度的提高,硼氮碳三种原子掺杂的石墨炔及石墨炔纳米管热导率均随BN原子的掺杂浓度升高而升高,当硼氮原子完全替换碳原子后热导率均发生突然降低的现象,变化幅度高达25%,并且发现石墨炔的形状对热导率的数值也有一定影响。
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