微桥法表征氧化石墨烯薄膜的力学性能

发布时间：2019-07-16 15:27

【摘要】：作为一种新型的碳纳米材料,氧化石墨烯片层可作为构筑单元组装得到宏观薄膜材料,与同类薄膜材料(如巴基纸、石墨纸等)相比具有更优异的力学性能。由于尺寸效应的影响,微/纳米级别薄膜材料的力学行为和性能往往不同于其对应的宏观材料,因此有必要对微/纳米厚度的氧化石墨烯薄膜力学性能和服役环境等问题做进一步研究。薄膜微桥法是一种测量薄膜力学性能的表征方法,采用适当的微桥变形模型能获得更精确的力学参数,因此有必要对微/纳米厚度的氧化石墨烯薄膜微桥变形行为做进一步研究。本文重点运用微桥测试方法研究了厚度在100-400纳米氧化石墨烯薄膜的自增强现象,非局部弹性理论与表面效应对微桥弯曲变形的影响,研究也涉及扶手椅型二硫化钼纳米带的尺寸效应(附录C),获得如下结果:(1)基于板壳理论,建立了同时测量柔性薄膜杨氏模量和残余应力的微桥模型,该模型适用于测量挠度远大于厚度的微桥变形情况;结合不同的微桥模型发现目前测量条件下基底变形和残余变形对氧化石墨烯薄膜力学性能影响很小;基于氧化石墨烯薄膜的特殊层状结构,结合拉伸剪切模型,解释了氧化石墨烯薄膜的有效杨氏模量随单层面积变化这一现象,并拟合出层间的剪切模量。(2)制备了厚度在100-400纳米的氧化石墨烯薄膜微桥样品;对微桥的连续加载实验结果表明,氧化石墨烯薄膜存在自增强现象,即杨氏模量随加载次数增大逐渐增大,产生该现象的原因是加载后氧化石墨烯薄膜取向的优化;氧化石墨烯薄膜微桥变温循环加载的结果表明温度在一定范围内升高,杨氏模量逐渐增大,但温度升高对自增强现象的影响逐渐降低;随着微桥厚度的减小,氧化石墨烯薄膜的杨氏模量逐渐增大,自增强现象越来越显著,自增强模量逐渐增大。(3)基于经典的欧拉梁弯曲变形理论,得到了不同边界条件下包含表面效应,非局部弹性效应及两者耦合效应的解析解;非局部理论、表面效应以及它们的耦合效应对纳米尺度微桥的弯曲变形都存在一定的影响,在不同边界条件下相对于经典梁变形造成一定软化或硬化或者不变的现象。(4)通过第一原理计算研究了扶手椅型二硫化钼纳米带棱的效应对力学性能的影响。二硫化钼纳米带长度方向的初始应变随宽度的增大而增大,厚度方向的初始应变随着宽度增大而减小;表面原子的起伏会随着带宽的增大而升高;名义杨氏模量随着纳米带宽度的增大而增大;纳米带宽度方向的名义泊松比随宽度的增大而减小,厚度方向的名义泊松比随宽度的增大而增加;二硫化钼纳米带力学性能周期性变化的现象不明显。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TQ127.11

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本文编号：2515143