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[学位]

气凝胶材料的结构特性与力学性能研究

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Author:

雷金成 (雷金成.)

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Abstract:

气凝胶材料是响应国家科技战略发展要求的一类新型超轻多孔材料。这类材料普遍拥有超高的比表面积,超低的密度,超高的热阻声阻等优异的特性,而这些特性基本来自于其微观多孔结构。不同气凝胶材料中各异的微观多孔结构直接导致了不同气凝胶各异的力学性能。例如同为碳系气凝胶的间苯二酚-甲醛气凝胶与石墨烯气凝胶表现出相当差异化的力学性能。目前国内外针对气凝胶的研究集中于材料的制备、改性与应用方面,对气凝胶的微观结构和结构对力学性能的影响的认知尚不明确。本研究选取了二氧化硅气凝胶和石墨烯气凝胶这两种具有不同骨架结构的典型气凝胶作为研究对象,利用分子动力学模拟方法,第一性原理计算,相场晶体法计算和理论研究方法,深入研究了两种气凝胶的结构特征,提出了两种气凝胶的结构模型,并应用此模型研究结构对其力学性能的影响。
在二氧化硅气凝胶的研究中,本文提出了一个考虑悬端作用的两层嵌套的结构模型来描述二氧化硅气凝胶的多级结构,并研究了悬端对二氧化硅气凝胶力学性能的影响。这个两层嵌套的结构模型包括气凝胶的骨架模型和骨架材料内部的多孔二氧化硅模型。首先,改进了前人利用分子动力学模拟建立多孔二氧化硅模型的方法,通过修正建模步骤和细节建立了更为均匀的多孔二氧化硅全原子模型作为骨架材料内部模型,并研究了多孔二氧化硅模型的力学性能。其次,提出了一种考虑多孔材料中代表性体积单元随机取向的本构模型来描述气凝胶骨架材料的弹性常数与气凝胶宏观弹性常数的关系。最后,根据二氧化硅气凝胶的两层嵌套模型的力学性能和前人的实验数据,给出了在实际的二氧化硅气凝胶中大量存在的悬端的质量占比,并定性讨论了悬端对于二氧化硅气凝胶强度的影响。本研究揭示了二氧化硅气凝胶中大量存在的悬端对杨氏模量-密度的幂率关系的影响机制,充分指出了二氧化硅气凝胶的增强方向为降低悬端质量占比,增强次级颗粒联结。
作为开展三维的石墨烯气凝胶研究的基础,本部分首先研究了缺陷对于二维石墨烯材料的力学性能和化学活性的影响。针对石墨烯原子结构中通常出现的单空位缺陷、SW缺陷和晶界,我们利用分子动力学模拟方法分别比较了各类缺陷对石墨烯材料强度和刚度的影响。研究发现各类点缺陷和孪晶界缺陷都会对石墨烯的拉伸强度和刚度有所削弱。其次,本部分针对石墨烯作为银表面抗硫化氧化保护膜的效能进行了实验研究,实验证明,石墨烯的晶界容易在含硫气氛下被参与腐蚀的硫原子和氧原子突破。为了解释实验中的现象,本文利用第一性原理计算深入研究了硫原子和氧原子突破石墨烯晶界的机理。结果表明,石墨烯中固有的或引入的空位缺陷会为少量的硫原子和氧原子的通过提供通道,却不足以引起腐蚀的恶化。腐蚀的恶化来自于大量嵌入的硫原子和氧原子制造的新空位缺陷的汇集,这些汇集的空位缺陷撕裂了石墨烯的晶界,从而导致了腐蚀的恶化。
在石墨烯气凝胶的研究中,本文利用相场晶体法和voronoi方法首次建立了Schwarz曲面形状的三维石墨烯结构,并基于这类三维石墨烯模型提出了石墨烯气凝胶的结构模型。模拟结果表明,Schwarz类曲面形状的三维石墨烯结构拥有超越金属的杨氏模量-密度比,且有很好的压缩回复性能。基于Schwarz G曲面形状的石墨烯气凝胶模型最能反映石墨烯气凝胶的压缩性能。
我们希望本研究能加深研究人员对于二氧化硅气凝胶和石墨烯气凝胶结构,以及结构对其力学性能的影响的理解,为进一步推动气凝胶材料的广泛应用奠定坚实的基础。

Keyword:

第一性原理计算 二氧化硅气凝胶 分子动力学 石墨烯气凝胶 相场晶体法

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  • [ 1 ] 西安交通大学航天航空学院

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 刘子顺

Year: 2018

Language: Other

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