力学学报, 2019, 51(5): 1393-1402 DOI: 10.6052/0459-1879-19-175

固体力学

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究1)

李东波,*,2), 刘秦龙, 张鸿驰*, 雷蓬勃*, 赵冬*

* 西安建筑科技大学理学院力学系,西安 710055

† 西安建筑科技大学理学院力学实验中心,西安 710055

STUDY ON TENSILE FRACTURE BEHAVIOR AND MECHANICAL PROPERTIES OF GO BASED ON MOLECULAR DYNAMICS METHOD1)

Li Dongbo,*,2), Liu Qinlong, Zhang Hongchi*, Lei Pengbo*, Zhao Dong*

* School of Sciecne, Xi'an University of Architecture & Technology, Xi'an 710055,China

† Mechanical Testing Center, Xi'an University of Architecture & Technology, Xi'an 710055,China

通讯作者: 2)李东波,副教授,主要研究方向: 微纳米力学. E-mail:ldb@xauat.edu.cn

收稿日期: 2019-07-4   网络出版日期: 2019-09-18

基金资助: 1)国家自然科学基金.  51878547
国家自然科学基金.  51641809
中国博士后基金.  2018M633478
陕西省博士后基金资助项目

Received: 2019-07-4   Online: 2019-09-18

Fund supported:

作者简介 About authors

摘要

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp$^{2}$杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低. 研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.

关键词: 分子动力学 ; 氧化石墨烯 ; 拉伸 ; 断裂行为 ; 力学性能

Abstract

In comparison with graphene, the graphene oxide (GO) has better hydrophilicity, dispersion performance and reaction activity, which makes it easier to interact with other materials to form composites with excellent properties. But on the other hand, due to the complexity of the electronic structure of the GO, there are some differences in the research of mechanics of GO at present. For this purpose, in the present paper, a random distribution model of GO containing the hydroxyl groups,epoxy groups and carboxyl groups was established based on the molecular dynamics method. And then, the tensile fracture behavior was analyzed by uniaxial tensile numerical simulation. The results illustrated that the epoxy groups which are far away from hydroxyl and carboxyl groups had induce effect on the fracture of GO. In addition, the mechanisms were explained from three aspects,which are the chemical bonding, system energy and stress distribution. Additionally, the influence of the coverage of oxygen-containing functional groups of hydroxyl groups, epoxy groups and carboxyl groups on the stress-strain curve, ultimate strength and ultimate strain of GO were further studied. The results showed that the ultimate strength and ultimate strain of GO decreased with the increase of the coverage of oxygen-containing functional groups of hydroxyl groups,epoxy groups and carboxyl groups. According to the analysis, the main reason is that the oxygen-containing functional groups of hydroxyl groups, epoxy groups and carboxyl groups destroy the sp$^{2}$hybrid form in the original graphene surface, thus weakening the bonding energy between atoms. Thereby, The greater the coverage of the oxygen-containing functional groups of hydroxyl groups, epoxy groups and carboxyl groups, the greater the amount and degree of weakened bonding energy, and the lower the ultimate strength of GO. The research results have certain reference value and significance for engineering application and basic research of GO.

Keywords: molecular dynamics ; graphene oxide ; tensile ; fracture behavior ; mechanical properties

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本文引用格式

李东波, 刘秦龙, 张鸿驰, 雷蓬勃, 赵冬. 基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究1). 力学学报[J], 2019, 51(5): 1393-1402 DOI:10.6052/0459-1879-19-175

Li Dongbo, Liu Qinlong, Zhang Hongchi, Lei Pengbo, Zhao Dong. STUDY ON TENSILE FRACTURE BEHAVIOR AND MECHANICAL PROPERTIES OF GO BASED ON MOLECULAR DYNAMICS METHOD1). Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics[J], 2019, 51(5): 1393-1402 DOI:10.6052/0459-1879-19-175

引言

自2004年 Geim等[1]首次制备并观察到单层石墨烯(graphene)以来,其超乎寻常的热学、力学和电学等性能不断刷新着现有材料的极限水平[2-5],迅速成为革命性的材料新宠.

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)是通过氧化在石墨烯表面引入大量含氧官能团(羟基、环氧基和羧基等),因此与石墨烯具有相似的层状二维结构[6],如图1所示.相比石墨烯而言,大量高活性官能团的引入,赋予其优异的力学、热学和电学性能[7-9],可有效提升刺激响应类材料的性能[10-12].同时其表面官能团良好的可编辑性能也使得其在纳米复合材料领域具有更广泛的适用性[13-19].另一方面,氧化石墨烯的亲水性[15]、分散性[16]和反应活性[17-19]明显增强,从而更易于与其他基体材料协同作用,形成性能优良的高性能复合材料,具有更加实际的应用价值和广泛的应用前景[20].

图1

图1   氧化石墨烯结构示意图

Fig. 1   Schematic diagram of GO structure


为此,Zheng等[21]利用分子力学和分子动力学方法研究了分子结构、官能团的分子量和功能化程度等对石墨烯片剪切模量、强度和临界起皱应变与化学功能化的关系,结果表明,杨氏模量与官能团的官能团化程度和分子结构密切相关,官能团分子量对杨氏模量的影响较小. 化学功能化还降低了剪切模量和临界起皱应变.官能团与石墨烯片之间的结合能是这些发现的主要原因.Pei等[22-23]基于分子动力学方法,分别研究了只含有氢官能团和甲基官能团时的力学性能,结果表明,功能化石墨烯的力学性能主要取决于甲基的位置、分布和覆盖范围,当甲基随机分布时,石墨烯弹性模量随甲基覆盖范围的增大而逐渐减小,而在低覆盖范围下强度和断裂应变均有明显下降.当甲基覆盖范围达到饱和时,弹性模量、强度和断裂应变分别下降18%,43%和47%.Gomez-Navarro等[24]利用原子力显微镜(AFM)对氧化石墨烯的杨氏模量进行了测试,结果表明,其杨氏模量约为250$\pm$150,GPa. Suk等[25]测试了氧化石墨烯的厚度和杨氏 模量,结果表明,其厚度为7 å,杨氏模量约为207.6$\pm$23.4,GPa. 此外,若选取氧化石墨烯厚度为7å时,则基于分子动力学数值模拟得到氧化石墨烯的杨氏模量约为325,GPa,极限强度约为31,GPa[26].

虽然业界对氧化石墨烯进行了大量研究,但由于其电子结构的复杂性和化学计量比的不确定性,对其断裂行为和力学性能等尚未达成广泛性共识.为此,利用分子动力学方法[27-29],本文建立了羟基、羧基和环氧基等官能团在石墨烯表面随机分布的无序结构模型,研究氧化石墨烯拉伸断裂行为及其力学性能,进而分析含氧官能团种类、覆盖度等对断裂行为和力学性能的影响规律和机理.

1 数值模拟方法

1.1 氧化石墨烯模型

分子模拟计算软件(materials studio,MS)具有较强的构建、显示和分析分子、固体及表面的结构模型的能力,在分子模拟领域具有广泛应用. 因此,本文利用MS软件创建羟基、羧基和环氧基随机分布的氧化石墨烯无序结构模型.根据文献[30]的研究结果,官能团的随机分布应满足以下条件:

(1)同一碳原子位只包含一个官能团;

(2)官能团的不恰当布置会引起石墨烯片层的应力和形变,因此,应分别于石墨烯片层两侧的近邻碳原子上成对添加官能团,并保持两侧官能团总数近似相等;

(3)为避免不饱和边界效应,边界碳原子上增加氢原子,由于C---C键长为1.42 å,C---H键长为1.14å,氢原子和连接氢原子的碳原子的电荷分别为$+0.1268$e 和$-0.1268$e,因此可保证整个模型为中性;

(4)对石墨烯某单个碳六元环而言,由于空间限域效应,理论上其一侧最多有6个碳原子连接官能团.但当某个碳六元环一侧的碳原子中有4个及其以上连接羟基时,必会出现在同一平面上有羟基两两相邻的情况,致使其相互作用生成气相水分子而脱附;而当一侧有超过5个碳原子连接环氧基时,将会使碳六元环局部出现较大曲率,从而造成体系稳定性变差.故所建模型中应保证每个碳六元环一侧有少于4个碳原子连接羟基或少于5个碳原子连接环氧基[30].

基于上述原则,即可创建包含有羟基、羧基和环氧基随机分布的氧化石墨烯无序结构模型,如 图2所示.

图 2

图 2   氧化石墨烯原子构型图(图中灰色粒子为碳原子,红色为氧原子,白色为氢原子)

Fig. 2   Atomic configuration diagram of graphene oxide(The grey particles are carbon atoms, red particles are oxygen atoms, and white particles are hydrogen atoms)


1.2 模拟方法

采用分子动力学软件(large-scale atomic/molecular massively parallel simulator, LAMMPS)[31]进行拉伸模拟计算,图3图4即为氧化石墨烯模型沿不同方向拉伸示意图.

根据上文所述创建的模型尺寸为40,å$\times$54,å,厚度为7,å[24],共含有1065个原子.采用Reaxff势函数来描述 碳氢氧三种原子之间的相互作用;该势函数由Chenoweth等[29]提出以描述碳氢氧原子之间的相互化学反应作用,并且被证实可较好地用于研究氧化石墨烯及其复合材料的力学性能[33-35]. 与传统的反应力场相比,ReaxFF力场是基于键距(bond distance, BD)、键级(bong order,BO)以及键级(BO)和能量(energy)的关系,以确定当前时刻任意两原子间的连接性,表征原子间化学键的断裂和形成.

图 3

图 3   氧化石墨烯Armchair向拉伸模型(蓝色区域为拉伸加载端)

Fig. 3   GO tensile along Armchair direction (The blue area is the stretch loading end)


图 4

图 4   氧化石墨烯Zigzag向拉伸模型(蓝色区域为拉伸加载端)

Fig. 4   GO tensile along Zigzag direction (The blue area is the stretch loading end)


拉伸模拟时,首先将模型在温度为300,K 的NVT系综下弛豫25,ps.待弛豫完成后,固定一端,另一端沿拉伸方向施加位移载荷,每加载一次后弛豫1,ps,待体系达到平衡后继续重复上述过程直至 破坏.

1.3 模拟方法验证

完美石墨烯的拉伸力学性能已被大量的试验和数值模拟所研究,为验证上文所述方法的正确性,首先利用上述方法对完美石墨烯的拉伸力学性能进行模拟,并与已有结果进行对比,以此验证所述数值方法的正确性.

图5所示即为完美石墨烯沿锯齿型和扶手椅型方向拉伸示意图,根据上文所述模拟方法分别沿两个方向进行拉伸模拟,并获取其拉伸应力应变曲线,如图6所示.

图5

图5   完美石墨烯沿不同方向拉伸示意图

Fig. 5   Schematic diagram of perfect graphene tesiled along different directions


图6

图6   完美石墨烯拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线

Fig. 6   Tensile stress-strain curves of graphene


根据图6所示应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,通过对两个方向的拉伸初始阶段(拉伸应变0$\sim$0.04)的应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线进行线性拟合,并取两个方向的平均值即可得完美石墨烯的弹性模量约为1.052,TPa,该结果与通过纳米压痕测试的1.0,TPa以及通过第一性原理计算所得的1.05,TPa非常接近,从而验证了所述数值方法的正确性.

2 结果与讨论

2.1 弛豫行为分析

为获得稳定的氧化石墨烯模型,拉伸前首先应对模型进行充分地弛豫,使其体系能量最小化,图7即为体系能量随弛豫时间变化曲线图.

图7

图7   体系能量随弛豫时间变化曲线图

Fig. 7   Curve of system energy changing with the time


由图可见,在开始阶段(0$\sim$2,ps),模型能量随弛豫步数快速递减,随后达到平衡状态,直至弛豫结束(25,ps),表明氧化石墨烯模型达到稳定状态.

弛豫后的氧化石墨烯原子构型呈现不规则褶皱状,如图8所示,分析认为,这是由于氧化石墨烯表面的官能团所引起的局部晶格畸变;且由于不同官能团在石墨烯表面的随机分布,致使晶格畸变的密度和程度不均匀,从而使氧化石墨烯呈现不规则的褶皱状.

图 8

图 8   弛豫后的氧化石墨烯原子构型

Fig. 8   Atomic configuration diagram of GO after energy minimization


2.2 拉伸断裂行为分析

2.2.1 拉伸断裂过程

根据上文所述模拟方法,对弛豫后氧化石墨烯分别沿armchair和zigzag方向进行拉伸模拟,可见拉伸过程中氧化石墨烯C---C键逐渐伸长,官能团出现不同程度的无序振动.

图9为氧化石墨烯模型的拉伸断裂过程图,由图9可见,随着拉伸的不断进行,与环氧基相连,且远离羟基和羧基的C---C键首先断裂,形成不规则的七元环,如图9(c)所示. 随后,在远离羟基和羧基的不规则七元环进一步扩展形成多元环状缺陷,如图9(d)所示.随着拉伸的进一步进行,多元环状缺陷逐渐扩展,并自然追踪至远离羟基和羧基的环氧基所连接的C---C环(图9(d)中箭头方向,与图9(c)中环氧基所在位置相符),直至裂缝扩展连通而断裂,如图9(e) $\sim$图9(f)所示.而zigzag方向具有与armchair方向类似的断裂过程.

因此,对于石墨烯而言,其裂缝扩展路径基本相同,而氧化石墨烯裂缝扩展路径则主要取决于官能团的分布,即远离羟基和羧基 的环氧基的位置对裂缝的扩展具有明显的"诱导"作用.

图9

图9   氧化石墨烯沿airmchair方向拉伸破坏过程图

Fig. 9   The failure process under tension along armchair direction


2.2.2 拉伸断裂机理

根据以上所述,氧化石墨烯的断裂行为主要受到远离羟基和羧基且与环氧基相连的C---C键的影响,以下从化学成键、体系能量和应力分布3个方面对其断裂机理进行分析.

(1)化学成键方面. 分析认为,氧化石墨烯的裂缝启裂和扩展位置位于远离羟基和羧基的环氧基,是由于当与羟基或羧基相近时, 环氧基会与羟基或羧基形成氢键,从而使得结构体系稳定性增强,如图10所示;而当远离羟基和羧基时,环氧基无法与羟基或羧 基反应形成氢键,因此结构稳定性较差,在外力作用下,更易发生断裂,因此,远离羟基和羧基的环氧基对氧化石墨烯的开裂及 裂纹扩展表现出一定的"诱导"作用.

图10

图10   临近的环氧基和羧基形成氢键示意图

Fig. 10   Schematic diagram of adjacent epoxy and carboxyl groups forming hydrogen bonds


(2)体系能量方面. 原子结构体系的稳定与否取决于体系能量大小,能量越高,体系越不稳定. 为此,对弛豫后的氧化石墨烯上与不 同官能团相连的碳原子的能量进行对比,如图11所示.

图 11

图 11   能量分布图

Fig. 11   The diagram of energy distribution


由图可见,含有官能团的区域能量明显高于其他区域.且与环氧基和羟基官能团相连的氧化石墨烯碳原子所具有的能量明显高于与羧基官能团直接相连的氧化石墨烯碳原子能量,因此更易于失稳而发生断裂.

为进一步说明不同官能团对断裂的影响规律,分别比较断裂路径上与环氧基、羟基和羧基相连的C---C键在断裂时所需的能量,如图12所示.由图可见,连接环氧基的C---C键断裂时所需能量最小,羟基次之,羧基最高,说明在氧化石墨烯拉伸加载过程中,相较于羟基与羧基,环氧基官能团更易达到断键能量,在断键区域形成多元环缺陷,进而导致氧化石墨烯结构破坏.

图12

图12   官能团断键能量对比图

Fig. 12   Comparison diagram of bond breaking energy of functional groups


(3)应力分布方面. 图13为拉伸过程中氧化石墨烯的的原子应力分布构型图. 由图13(a)可见,拉伸初始状态时,整个体系应 力水平较低,且由于官能团的存在,使得连接官能团的原子处晶格失配,整个体系应力分布不均,而由于环氧基同时连接两个碳 原子,造成该区域应力分布更加不均匀. 随着不断加载,整个模型上的平均应力逐渐增大,当拉伸应变增至0.02时,连接环氧基 且远离羟基和羧基的部位由于应力较大,逐渐出现多元环缺陷,且应力明显高于其它部位,如图13(b) $\sim$图13(c)所示. 当载荷继续增大后,自然追踪至远离羟基和羧基的环氧基所连接的C---C环,如图13(d) $\sim$图13(e). 之后,随着拉伸 载荷的继续 增加,裂纹继续扩展直至贯通,导致石墨烯的最终断裂,整个体系能量重新降低至较低水平,如图13(f).

图13

图13   氧化石墨烯单向拉伸过程中原子应力分布图

Fig. 13   Stress distribution diagram of GO under uniaxial tensionfunctional groups


因此,远离羟基和羧基的环氧基由于同时连接两个碳原子,致使体系局部晶格失配程度较大,应力集中现象明显,极易在外力作用下发生破坏而出现断裂.

2.3 拉伸力学性能

2.3.1 应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线

应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线可以反映结构的极限强度、极限应变和弹性模量等力学基本参数,是表征材料力学性能的重要依据[28].

为得到拉伸过程中的应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,首先应计算氧化石墨烯片上单个碳原子的原子应力[16-17],即

$$\sigma _{ij}^\alpha = \dfrac{1}{\varOmega ^\alpha }\Big( \dfrac{1}{2}m^\alpha v_i^\alpha v_j^\alpha +\sum_{\beta = 1,n} {r_{\alpha \beta }^j } f_{\alpha \beta }^i \Big ) $$

式中,$\alpha $和$\beta $表示原子指标;$i$和$j$为笛卡尔坐标系下的指标;$r$表示原子$\alpha $, $\beta $的间距;$m$, $\upsilon $分别为$\alpha $原子质量、速度; $\varOmega ^\alpha $表示$\alpha $原子体积,其值等于弛豫后厚度为7.0 å的氧化石墨烯[21-22].

此外,由于方程(1)中的维里应力涉及到由热波动引起的瞬时速度. 以往研究[18-19]表明,分子动力学模拟计算的维里应力必须随时间平均才能与柯西应力相等. 因此,本文中使用维里应力在最近100个时间步长的平均值作为每次的应力输出.

根据以上所述,可得氧化石墨烯的拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线,如图14图15所示.

图 14

图 14   Armchair向拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线

Fig. 14   Stress-strain curve of GO tensiled along armchair direction


图 15

图 15   Zigzag向拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线

Fig. 15   Stress-strain curve of of GO tensiled along zigzag direction


由图可见,与图6所示的完美石墨烯的应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线具有较大的手性相关性不同,氧化石墨烯在两个方向的拉伸力学性能相近,没有明显的手性相关性.分析认为,这是由于氧化石墨烯的力学性能很大程度上取决于表面含氧官能团的分布情况,而所建模型上的官能团为随机分布,因此致使手性对力学性能的影响并不明显.

此外,与完美石墨烯相比,氧化石墨烯拉伸应力应变曲线显得"不光滑",分析认为,这主要是由于氧化石墨烯表面随机分布有大量羟基、羧基和环氧基等,这些含氧官能团的存在会加剧氧化石墨烯的局部晶格畸变程度,使得氧化石墨烯在稳定状态下呈现不规则的褶皱状(图8所示);同时在拉伸过程中各官能团的热振动使石墨烯片层表面局部晶格畸变程度进一步加剧,表面的褶皱不规则程度更大,导致在拉伸过程中,应力和应变间呈现不稳定的变化关系,从而使应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线呈现不光滑状.

此外,由图可见,应力与应变曲线在初始阶段(应变为0$\sim$0.04)呈现较强的非线性关系. 分析认为,这也是由于含氧官能团的无序分布使得弛豫后氧化石墨烯呈现不规则的褶皱状,即各部分褶皱的程度不同,从而使得各部分从褶皱至拉伸平展所需的时间和荷载存在一定差异,致使整体模型的应力和应变之间的呈现一定非线性.

达到极限强度后,应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线会呈震荡性衰减,分析认为,这是由于氧化石墨烯断裂后会由于吸附现象,不同原子间会重新成键,形成若干链状结构(如图中原子构形图可见),该结构仍可暂时性维持一定的抗拉能力. 随着拉伸的进一步进行,链状体系逐渐断裂,但由于其断裂的时间不同,因此应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线会出现不规则的震荡现象,直至完全断裂.

2.3.2 力学性能与官能团覆盖度关系

由上文可知,含氧官能团对氧化石墨烯的力学性能具有重要影响,为此,基于上文所述方法,创建官能团比例为O:OH:COOH=1:1:0.2,覆盖度分别为10%, 20%, 30%,40%和50%的氧化石墨烯数值模型,并分别进行拉伸模拟,可得不同覆盖度下的应力应变 曲线,如图16所示.其中,官能团覆盖度$S$ 的定义为: $S$=(连官能团C数/体系C总数)$\times $100%.

图16

图16   氧化石墨烯拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线与官能团覆盖度关系图

Fig. 16   Relationship between tensile stress-strain curve and functional group coverage of GO


由图可见,极限强度、极限应变均随官能团覆盖度增加而减小. 为进一步分析官能团覆盖度对极限强度和极限应变的影响,根据图16所示的应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线可得极限强度和极限应变随官能团覆盖度变化曲线图,如图17图18所示.

图17

图17   极限强度随官能团覆盖度变化曲线图

Fig. 17   Variation curve of ultimate strength with functional group coverage


图18

图18   极限应变随官能团覆盖度变化曲线图

Fig. 18   Variation curve of ultimate strain with functional group coverage


图17可见,随官能团覆盖度增大,拉伸强度逐渐减小.与石墨烯相比(官能团覆盖度为0),当氧化石墨烯的含氧官能团覆 盖度分别为10%, 20%, 30%,40%和50%时,其拉伸强度分别下降了72.39%, 75.90%, 78.28%, 80.37%和86.19%.

图18可见,与石墨烯相比(官能团覆盖度为0),当氧化石墨烯的含氧官能团覆盖度为10%, 20%, 30%, 40%和50%时,其拉伸极限应变分别下降了17.58%, 20.61%, 23.64%, 32.12%和34.55%,表明羟基、羧基和环氧基等含氧官能团对氧化石墨烯的拉伸力学性能具有极大地削弱作用.

分析认为,含氧官能团对氧化石墨烯力学性能削弱的主要原因是官能团对氧化石墨烯电子结构的改变.首先,由于完美石墨烯 上碳六元环的C原子以 sp$^{2}$杂化轨道组成,所形成的$\pi$键具有强大的键合能,从而使得石墨烯具有优异的面内抗拉强 度.而羟基、羧基和环氧基等官能团会导致石墨烯碳环的C原子间作用由sp$^{2}$杂化转化为sp$^{3}$杂化形式,使得原来碳环C原子间的$\pi $键转变成较弱的$\sigma$键,使得键合能极度弱化;其次,氧化石墨烯表面的官能团对石墨烯表面的C原子会具有吸附力作用,从而致使C原子脱离石墨烯表面,造成局部碳原子键长的增大,进一步弱化原子间键合能. 而以上两方面的影响都会随着官能团覆盖度的增加而加剧,因此,致使力学性能随官能团覆盖度的增加而显著降低.

3 结论

本文利用分子动力学方法,创建了氧化石墨烯数值模型;研究了不同含氧官能团覆盖度下氧化石墨烯的应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度和极限应变等变化规律,并对其机理进行了分析. 主要结论包括:

(1) 拉伸断裂行为结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂有"诱导"所用.分析认为,一方面是远离羟基和羧基时可避免氢 键的生成;另一方面连接环氧基的C---C键断裂时所需能量最小.

(2) 氧化石墨烯的应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度和极限应变等拉伸力学性质与含氧官能团覆盖度具有很大相关性. 官能团覆盖度越大,应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线的初始阶段的非线性越强,且整体越不光滑. 而极限强度和极限应变均随着覆盖度的增大而呈减小趋势.

(3) 官能团对氧化石墨烯力学性能的影响机理主要是由于官能团的出现使得石墨烯碳环的C原子由面内sp$^{2}$杂化转化为面外sp$^{3}$杂化,使得C原子间键合能弱化,力学性能得到削弱.

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