功能化修饰对石墨烯纳米带结构稳定性及其弹性性能影响的研究

来源 :长沙理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaobeisc
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自从2004年英国曼彻斯特大学的研究人员在模拟中首次制备单层石墨以来,人们对于石墨烯的研究热度从未减小。近年来,纳米复合材料的研究大多以碳基纳米材料为基础进行研究,从零维的富勒烯,一维的碳纳米管到二维的石墨烯相继被研究人员发现并对其复合材料进行了大量研究。特别是因基体材料增强的需要,对石墨烯纳米带及其功能化修饰的模拟研究已然成为当下研究热潮。  石墨烯因其独特的电学、力学和热学等性能,作为强化相在制备轻质、高强度、强韧性的优异复合材料方面越来越受到关注。然而,实验发现未经处理的石墨烯表面惰性大,与基体材料的界面结合较弱,特别是在基质材料中的石墨烯易于团聚,难以均匀分散,不利于有效增强基体材料。为获取力学性能优异的石墨烯复合材料,发展一种有效的化学处理方法,即对石墨烯纳米带通过适当功能化处理(主要包括接枝官能团种类的选取、数量及位置的控制等),实现最佳的接枝方法显得特别重要。  本文利用分子动力学理论研究了不同官能团接枝扶手椅型石墨烯纳米带和锯齿型石墨烯纳米带的弹性性能及其结构稳定性。模拟结果表明,当石墨烯纳米带周边悬挂键以氢基饱和(接枝氢基(-H)官能团),锯齿型石墨烯纳米带的杨氏模量为982GPa,扶手椅型石墨烯纳米带的杨氏模量为1046GPa。当石墨烯纳米带接枝羟基(-OH),胺基(-NH2),羧基(-COOH),巯基(-SH)官能团时,计算结果发现,接枝羟基(-OH)官能团的石墨烯纳米带显示的杨氏模量最高,其次是接枝羧基(-COOH)官能团时的杨氏模量,在构建的模型中,接枝胺基(-NH2)官能团,巯基(-SH)官能团和接枝氢基(-H)官能团后的石墨烯的杨氏模量几乎相似,显示较低模量值。不同官能团接枝后的扶手椅型石墨烯纳米带和锯齿型石墨烯纳米带的杨氏模量的变化具有完全相似的趋势,但是扶手椅型石墨烯纳米带的杨氏模量总是大于锯齿型石墨烯纳米带的杨氏模量。本文基于径向分布函数,变形电子密度,化学键合理论对这些现象进行较为详细的分析。结果表明,较少的含氧官能团,如由接枝原子与悬空键产生C-O键或者C-C-O键,可有效的提高石墨烯纳米带的弹性,维持其结构稳定性。接枝官能团后扶手椅型石墨烯纳米带的弹性性能要优于锯齿型石墨烯纳米带。
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