北理工為石墨烯泡沫（碳海綿）建立介觀理論模型
發(fā)布日期：2017-09-07 供稿：物理學(xué)院
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圖：拉伸條件下石墨烯泡沫的介觀結(jié)構(gòu)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(xué)基金、國家重點研發(fā)項目、國家基礎(chǔ)研究計劃、中國科學(xué)院先導(dǎo)B專項等資助和支持下，北京理工大學(xué)姚裕貴研究組（潘斗興博士后，姚裕貴教授）與中國科學(xué)院力學(xué)研究所王自強院士團(tuán)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(gòu)行為與韌性斷裂模式，相關(guān)研究成果近期發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)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(tài)，因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、比表面積大，機械性能優(yōu)異以及物理性質(zhì)獨特等優(yōu)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(tài)重新回歸到三維空間，從而發(fā)揮著功能性與結(jié)構(gòu)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?zhèn)淞耸┡c多孔材料的優(yōu)點，在材料科學(xué)界與能源工程界，甚至生物醫(yī)學(xué)界，均受到了不同程度的關(guān)注。
當(dāng)前，國際上已有不少關(guān)于石墨烯泡沫的制備和性能以及潛在應(yīng)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(xiàn)象本身，缺乏具體的理論模型來探討其內(nèi)在的物理力學(xué)機制。為補全該材料在理論研究上的短板，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授團(tuán)隊與中科院力學(xué)所王自強院士團(tuán)隊合作，在充分研究Arvind教授原位拉伸實試驗的基礎(chǔ)上，將二維Cranford-Buehler粗粒模型通過引入附加的物理交聯(lián)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(jié)合Virial應(yīng)力云圖與粗粒動力學(xué)過程，深入地揭示了多峰本構(gòu)曲線與韌性斷裂模式的內(nèi)在機制。在此基礎(chǔ)上，他們給出了不同密度泡沫材料有效拉伸模量的冪律標(biāo)度律，并進(jìn)一步根據(jù)Newnham分類原理，將這種材料特有的屈服準(zhǔn)則與多峰特性關(guān)聯(lián)到泡沫結(jié)構(gòu)的空間連通性上，從而為石墨烯泡沫的優(yōu)化設(shè)計與工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)，也為定量表征該材料力學(xué)行為的宏觀唯象模型奠定了堅實的介觀理論基礎(chǔ)。
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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