北理工為石墨烯泡沫（碳海綿）建立介觀理論模型
發布日期：2017-09-07 供稿：物理學院
編輯：周格羽 審核：蘇文勇 閱讀次數：
圖：拉伸條件下石墨烯泡沫的介觀結構演化過程，以及與Arvind教授原位拉伸試驗SEM圖的對比情況
在國家自然科學基金、國家重點研發項目、國家基礎研究計劃、中國科學院先導B專項等資助和支持下，北京理工大學姚裕貴研究組（潘斗興博士后，姚裕貴教授）與中國科學院力學研究所王自強院士團隊合作，為石墨烯泡沫建立了介觀理論模型，合理描述了石墨烯泡沫特有的多峰本構行為與韌性斷裂模式，相關研究成果近期發表在美國化學學會期刊《納米》上【ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b03474】。
石墨烯作為范德華層狀體系的典型代表——石墨的二維形態，因其結構穩定性高、比表面積大，機械性能優異以及物理性質獨特等優點，在電子器件、鋰離子電池、超級電容器、催化、油污清理等諸多領域具有廣闊的應用前景，引起了人們濃厚的興趣。近年來，石墨烯又以非層疊的聚集態重新回歸到三維空間，從而發揮著功能性與結構性的雙重作用。其中，以無序堆砌的方式相互鉸接而連通所形成的絮狀體，稱為石墨烯泡沫（碳海綿的一種）。這種泡沫兼備了石墨烯與多孔材料的優點，在材料科學界與能源工程界，甚至生物醫學界，均受到了不同程度的關注。
當前，國際上已有不少關于石墨烯泡沫的制備和性能以及潛在應用等方面的研究報道。然而，這些報道基本上還局限于實驗現象本身，缺乏具體的理論模型來探討其內在的物理力學機制。為補全該材料在理論研究上的短板，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊與中科院力學所王自強院士團隊合作，在充分研究Arvind教授原位拉伸實試驗的基礎上，將二維Cranford-Buehler粗粒模型通過引入附加的物理交聯力與范德華力拓展到三維空間，為石墨烯泡沫建立了合理的介觀模型，并結合Virial應力云圖與粗粒動力學過程，深入地揭示了多峰本構曲線與韌性斷裂模式的內在機制。在此基礎上，他們給出了不同密度泡沫材料有效拉伸模量的冪律標度律，并進一步根據Newnham分類原理，將這種材料特有的屈服準則與多峰特性關聯到泡沫結構的空間連通性上，從而為石墨烯泡沫的優化設計與工程應用提供了理論指導，也為定量表征該材料力學行為的宏觀唯象模型奠定了堅實的介觀理論基礎。
原文鏈接： http://pubs.acs.org/doi/ipdf/10.1021/acsnano.7b03474
姚裕貴教授組研究工作主頁：http://qfmda.com
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