石墨烯材料功效性能检测系统

陈培培

石墨烯复合材料具有优异的力学、热学以及电学性能，具有极大的工程应用价值。但是对于石墨烯复合材料的研究，目前还处于尝试性的实验研究阶段，其基本物理机制尚不清楚，用于预测、优化材料性能的模型还有待开发。石墨烯复合材料具有多级结构，其整体力学性质依赖于不同尺度结构特征和性质，如分子尺度石墨烯界面性能，纳米尺度石墨烯堆垛结构，介观尺度石墨烯团簇和分散等。本项目将通过密度泛函第一原理、分子动力学、连续介质模型以及相应的力学实验系统地研究石墨烯复合材料的力学性能。主要研究目标：（1）石墨烯界面力学性质，研究石墨烯界面共价键、离子键、氢键等不同交链机制的载荷传递能力和效率；（2）连续介质建模，通过连续介质模型，考虑石墨烯界面交链机制、石墨烯堆垛结构以及石墨烯团簇，预测石墨烯复合材料整体力学性能；（3）基于前面的研究结果优化石墨烯复合材料的力学性能，根据不同的用途得到不同的优化策略。

石墨烯复合材料根据石墨烯组成单元的微观结构可以分为石墨烯增强复合材料和石墨烯层状材料。由于受到石墨烯分散性较差的限制，很难获得高体积分数的石墨烯增强复合材料，因此对力学性质的增强效果有限。石墨烯层状材料由石墨烯叠层自组装而成，可以形成不同微观结构的石墨烯层状材料，如石墨烯纤维、石墨烯膜、石墨烯纸、石墨烯多孔材料等，其相同的结构单元都是由多层石墨烯平行堆叠而成的层状结构。本项目中，我们主要研究了石墨烯层状结构的力学行为，从而为石墨烯层状材料的优化设计提供指导。石墨烯层间剪切模量和强度比面内拉伸模量和强度低两个量级以上，这导致了石墨烯层状结构具有非常独特的力学行为。 由于石墨烯片层尺寸有限，石墨烯层状材料中典型的载荷传递方式是拉伸-剪切模式。石墨烯层间剪切载荷传递能力是制约石墨烯层状材料力学性质的关键因素。我们分别研究了石墨烯层间氢键网络交链、戊二醛共价交链以及褶皱石墨烯的几何自锁效应对层间载荷传递能力的影响，建立了不同类型交链的力学模型。发现戊二醛共价键交链和氢键网络的协同作用可以极大的提高石墨烯层间剪切模量和强度。氢键网络具有自修复特性，当共价键交链失效之后，还能提供一定的承载能力。我们在石墨烯中引入不同密度和分布的拓扑缺陷，可以调控石墨烯的褶皱形态。由于石墨烯褶皱的几何自锁效应，层间剪切模量和强度提高一个量级以上。考虑石墨烯层间不同交链形式、石墨烯尺寸以及石墨烯面内变形，建立了石墨烯层状材料双网络可变形拉-剪链模型，可以预测石墨烯层状材料的力学行为和破坏模型，为石墨烯层状材料的优化设计提供指导。 考虑单层石墨烯的弯曲变形能、石墨烯面内变形以及层间剪切，建立了多层石墨烯弯-剪耦合模型，可以描述多层石墨烯的压缩失稳临界应变。发现存在一个特征长度，由单层石墨烯刚度、层间剪切模量以及层间距决定。当石墨烯的尺度远大于特征长度时，多层石墨烯的临界失稳应变和几何尺寸无关，由几个材料常数决定。

• 版次：1

• 商品编码：12795455

• 品牌：化学工业出版社

• 包装：平装

• 开本：32开

• 用纸：胶版纸

• 页数：190

• 正文语种：中文

内容简介

《石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料及性能研究》详细地分析了石墨烯强韧化氧化铝基陶瓷刀具材料的设计及性能：通过在氧化铝基陶瓷刀具材料中加入石墨烯来调节界面结构，借助计算力学技术和有限元分析技术，分析了陶瓷复合材料微观结构与宏观力学性能之间的关系，设计并构筑了石墨烯强韧化氧化铝-碳化钛复相陶瓷材料界面，引入多种强韧化机制，以显著提高陶瓷刀具材料的切削性能。这对提高淬硬钢等难加工材料的加工效率具有重要的实际意义，也对后续石墨烯的分散方式以及石墨烯的改性方式的研究提供理论依据。

本书可供刀具设计人员及高等院校相关专业院校师生参考。

目录

第1章陶瓷刀具材料概述1

1.1切削刀具材料1

1.2陶瓷刀具材料的发展及研究现状4

1.2.1陶瓷刀具材料的发展4

1.2.2陶瓷刀具材料的分类6

1.2.3陶瓷刀具材料强韧化机理8

1.2.4氧化铝陶瓷刀具研究现状13

1.2.5界面调控及其在复合材料中的应用14

1.2.6石墨烯-陶瓷复合材料研究现状16

1.3陶瓷刀具材料设计与研究方法19

1.3.1陶瓷材料设计方法19

1.3.2多尺度方法概述22

1.3.3基于计算几何的仿真技术26

第2章陶瓷刀具材料界面性质30

2.1材料计算概述31

2.2建模理论32

2.2.1CASTEP介绍32

2.2.2CASTEP的使用34

2.2.3密度泛函理论35

2.2.4基于密度泛函理论的计算方法38

2.3界面结构与材料性能的关系40

2.4晶体体性质的计算42

2.4.1能带理论42

2.4.2α-氧化铝的体性质44

2.4.3碳化钛的体性质49

2.4.4石墨烯的性质52

2.5晶面性质的计算54

2.5.1α-氧化铝表面性质的计算55

2.5.2碳化钛表面性质的计算57

2.6界面性质的计算59

2.6.1氧化铝和碳化钛界面61

2.6.2石墨烯与其他晶面的界面62

2.7界面结合强度计算63

第3章基于微观结构有限元分析模型的陶瓷刀具材料性能预报68

3.1模拟方法概述69

3.2材料微观结构有限元分析模型70

3.2.1代表性体积单元70

3.2.2微观结构几何模型72

3.2.3晶粒位向及材料各向异性76

3.2.4损伤和断裂准则78

3.3微观结构有限元模型仿真参数确定82

3.3.1内聚力单元刚度82

3.3.2晶粒形状86

3.3.3模型可靠性验证88

3.3.4含石墨烯的陶瓷刀具材料有限元分析模型88

3.4基于微观结构有限元模型的性能预报模型 91

3.4.1基于数值的均匀化方法简介91

3.4.2性能预报模型中宏、微观参数的关联92

3.4.3断裂韧性的预测模型及影响因素97

3.4.4抗弯强度的预测模型及影响因素106

第4章石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料制备及力学性能118

4.1刀具材料制备118

4.1.1原材料概述118

4.1.2材料相容性判定119

4.1.3石墨烯的分散121

4.1.4刀具材料的制备流程122

4.1.5材料的力学性能和微观结构测试方法124

4.2所制备材料的力学性能126

4.3复合陶瓷刀具材料微观结构分析127

4.3.1粉料微观形貌及烧结前后材料的成分对比127

4.3.2试样表面压痕裂纹分析130

4.3.3断口微观形貌分析132

4.3.4界面结构观察135

4.4石墨烯的作用机理分析138

4.4.1界面差分电子密度计算138

4.4.2强弱界面协同强韧化139

4.4.3石墨烯其他强韧化机理140

4.5石墨烯强韧化陶瓷刀具材料的各向异性141

第5章石墨烯强韧化复相陶瓷刀具切削性能147

5.1试验条件147

5.2切削过程与切屑形态150

5.3切削力与切削温度152

5.4石墨烯含量对陶瓷刀具损伤特征的影响156

5.5刀具寿命与刀具失效演变161

5.6刀具失效特征与失效机理167

参考文献173