石墨烯纳米片增强镁基复合材料力学性能及增强机制

周霞^1,2，刘霄霞²

1. 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室2. 大连理工大学工程力学系

摘 要：采用分子动力学方法（MD）对单层石墨烯纳米片（GNPs）与单面及双面Ni包覆单层GNP （Ni-GNP、NiGNP-Ni）增强镁基复合材料（GNP/Mg、Ni-GNP/Mg、Ni-GNP-Ni/Mg）在单轴拉伸作用下的力学性能进行了研究,并与含有空位缺陷的双面Ni包覆单层GNP （Ni-defected GNP-Ni）及双面Ni包覆多层GNPs （Ni-n GNPs-Ni）增强镁基复合材料（Ni-defected GNP-Ni/Mg、Ni-n GNPs-Ni/Mg （n为GPNs层数））拉伸性能进行了对比。研究结果表明:GNPs的加入可以显著增强镁基复合材料的力学性能,与单晶Mg相比,GNP/Mg纳米复合材料在300 K及应变速率为1×10⁹ s^-1时的拉伸强度和弹性模量分别提高了32.60%和37.91%,而Ni-GNP-Ni/Mg的拉伸强度和弹性模量分别提高了46.79%和54.53%;此外,Ni-defected GNP-Ni/Mg复合材料的弹性模量和拉伸强度较GNP/Mg有较大的提高,但其断裂应变提高的幅度较小;而Ni-GNP/Mg复合材料的拉伸强度和断裂应变较GNP/Mg有较大的提高,但其弹性模量提高的幅度较小。Ni-GNP-Ni/Mg基复合材料的弹性模量、拉伸强度和断裂应变随着温度的升高而降低,表现出了温度软化效应,但复合材料弹性模量的变化对温度不敏感。随着Ni-n GNPsNi中n的增加,即增强体体积分数增大时,复合材料弹性模量、拉伸强度及断裂应变均随之增大,复合材料表现出良好的综合力学性能。最后通过对原子结构演化的分析,发现Ni-GNP-Ni/Mg纳米复合材料的强化机制主要是界面强化、载荷的有效传递及位错强化。

关键词：石墨烯纳米片;镁基复合材料;分子动力学模拟;力学性能;增强机制;