基于全原子模拟的铜_石墨烯塑性变形行为与力学强化性能分析.pdf
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1、Aug.2023CHINA SURFACEENGINEERING2023年8 月No.4Vol.36面中第36 卷参第4期表程doi:10.11933/j.issn.1007-9289.20211215001基于全原子模拟的铜石墨烯塑性变形行为与力学强化性能分析*陈晶晶!占慧敏杨旭李柯张铜邹小莲刘莹李凯1(1.南昌理工学院机电工程学院南昌330044;2.南昌理工学院计算机信息工程学院南昌330044)摘要:对铜石墨烯塑性变形行为与强化性能分析对膜-基界面耦合提升金属材料使役性能起促进作用,也为纳米铜强韧机制理解提供有益参鉴价值。基于纳米压痕法对石墨烯膜-单晶铜基底的接触特性展开全原子模拟。分
2、析基底表面有无石墨烯、覆石墨烯层数、基底晶面不同的塑性变形行为与力学强化性能,探讨石墨烯边界效应的褶皱对界面接触质量与强化性能的影响。研究表明:对铜石墨烯而言,纳米压痕时的载荷与位移曲线保持线性关系,主要源于石墨烯面内弹性变形呈均匀化;相比纯铜,铜表面覆石墨烯的承载性更高,其弹性模量与硬度随覆石墨烯层数增加而线性增大。结果指出:铜表面覆三层石墨烯的硬度与弹性模量比纯铜提高约7.4倍,其强化效应源自石墨烯受载产生的面内均匀弹性变形与压头-膜基界面接触质量的协同作用;石墨烯褶皱处的应力集中易诱驱铜上表面产生类褶皱波纹的塑性变形痕迹。相比双边界固定的石墨烯而言,单边界固定的石墨烯褶皱变形更大,界面接
3、触质量有所增加,而强化效果相比却降低2 8%。当覆石墨烯层数相同时,不同晶面铜/石墨烯的力学性能和膜-基界面塑性变形有着显著各向异性特征。研究结果对微机电系统金属器件力学性能提升有重要作用。关键词:褶皱效应;界面接触质量;金属强化;石墨烯层数;分子模拟中图分类号:TG156;TB114Atomic Simulation of Plastic Deformation Behavior and MechanicsStrengthening Property for Cu/graphene MaterialCHEN JingjingZHAN HuiminLIKe12YANG XuZHANG Tong
4、ZOU Xiaolian 1LIU Ying 1LI Kai 1(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330044,China;2.School of Computer and Information Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330044,China)Abstract:Copper metal is widely used in micro/nano-electro
5、mechanical systems,such as mechanical controllers,precisionmeasuring instruments,power appliances,and other important engineering applications because of its excellent mechanical properties,electrical conductivity,and heat dissipation.However,in practice,copper metal materials are often not conduciv
6、e under complex andharsh service conditions,such as high temperature,high pressure,high speed,high fatigue,corrosive media,and other harshenvironments,which cause severe wear and tear of metal parts.Therefore,higher requirements should be imposed on the mechanicalstrength of copper metal in service,
7、and the main causes of its dynamic contact deformation and strengthening properties should beevaluated.Graphene can improve the mechanical surface/interface contact properties of copper owing to its excellent mechanical*南昌理工学院机械表界面摩擦磨损与防护润滑研究中心及南昌理工学院校级课题(NLZK-22-07,NLZK-2 2-0 1)、江西省教育厅科学技术研究(G JJ2
8、2 0 2 7 0 5,G JJ2 12 10 1,G JJ2 19 310)和南昌市重点实验室建设(2 0 2 0-NCZDSY-005)资助项目。Fund:Supported by University-level Research Center of Friction and Wear and Protective Lubrication of Mechanical Table Interface of Nanchang Institute ofTechnology(NLZK-22-07,NLZK-22-01),Science and Technology Research Projec
9、t of Education Department of Jiangxi Province(GJJ2202705,GJ212101,GJ219310),and Nanchang Key Laboratory Construction Project of Jiangxi Province(2020-NCZDSY-005).20211215收到初稿,2 0 2 30 113收到修改稿175石墨烯塑性变形行为与力学强化性能分析陈晶晶,第4期等:基于全原子模拟的铜properties,high carrier concentration,good thermal conductivity,and l
10、ow shear properties.The static and dynamic contact behavior ofthe graphene membrane-substrate interface is primarily studied through atomic force microscopy,finite element calculations,andmolecular dynamics simulations;however,finite elements cannot satisfy the requirements of nanoscale space-time a
11、nd energy-scalecalculations,and precision experimental measurements are very limited in revealing the dynamic contact behavior of the atomic-scaleinterface and costly in studying the mechanism.The molecular dynamics method can be used to study dynamic contact properties andreveal the strengthening m
12、echanism of the membrane-substrate interface at the atomic scale,which can effectively prevent theshortage of precision instrumentation and finite element calculations and is useful for studying the constitutive correlation betweendynamic microstructural deformation and mechanical properties.Thus,un
13、derstanding this plastic deformation information andmechanical strengthening of copper surfaces covered with multilayer graphene is useful for improving the metal material performanceof membrane-base interface coupling.Furthermore,it can provide meaningful insights into the performance of copper mat
14、erials withstrengthened and toughened features.Hence,in this study,the dynamic contact characteristics between an indenter and Cu/graphenewere explored using a nanoindentation method.The effects of some influencing factors on the copper deformation characteristics wereanalyzed,such as the copper sur
15、face with or without the graphene layer,number of graphene layers,and various crystal planes.Thewrinkle contribution of graphene with a fixed double boundary(XY)and single boundary(Y)to the interface contact mass distributionand strengthening was investigated.The analysis results indicated that the
16、elastic deformation of graphene producedload-displacement curves with a linearly increasing trend during the nanoindentation process.The calculation results showed that theCu surface with the graphene layer effectively improved the material-bearing capacity compared with the surface without graphene
17、.The mechanical properties(hardness and elasticity modulus)exhibited a linear increase with the addition of graphene layers.Inaddition,the hardness and Young s modulus were almost 7.4 times those of pure copper,and the strengthening mechanism wasderived from the synergistic effects between graphene
18、deformation and homogenization features induced by external loads and theinterface contact mass distribution.In terms of double-boundary fixed graphene.The loading-induced wrinkle deformation forsingle-boundary fixed graphene was larger,and the interface contact quality improved.Furthermore,the corr
19、esponding enhancementeffect was reduced by 28%compared with that of single-boundary fixed graphene.For the same number of graphene layers,themechanical properties and plastic deformation of the membrane-base interface exhibited evident anisotropy features for a copper basecovered by graphene with di
20、fferent crystal planes.The results of this study can be used to significantly improve the mechanicalproperties of metallic devices used in microelectromechanical systems.Keywords:wrinkle effect;interface contact quality;metal strengthening;graphene layers;,molecular simulation0前言金属铜因优异的力学性能和导电散热性在微/
21、纳机电系统、射频机械控制器、精密测量仪、电力电器等重要工程领域有广泛应用,而实践表明金属铜材料常面临服役工况的复杂与恶劣性,比如高温、高压、高速、高疲劳、腐蚀介质等苛刻环境,给金属部件磨损失效带来极大的危害与灾难。据此,呕须对金属铜使役力学强度性能提出更高要求,并评估其动态接触变形与强化性能的主因。然而,石墨烯因其优异力学性能 、载流子浓度高2 、热导率佳3-4、低剪切性5,可对机械表界面接触性能起到改善作用(6-7 。目前对石墨烯膜-基底界面的静/动态接触行为的研究主要以原子力显微镜、微纳压划痕仪、有限元计算、分子动力学模拟(简称MD)为主,而有限元无法满足纳尺度时空与能量尺度的计算要求,精
22、仪试验测量在洞悉原子尺度界面的动态接触行为十分受限,机制解释方面所需代价高昂。用分子动力学法能从原子尺度研究膜-基界面的动态接触特性与揭晓其强化机理,不仅能有效规避精密仪测量与有限元计算的不足,而且是研究动态微结构变形与其力学性能间的构效关联的一种有益方法。ZHANG等8 用石墨烯替代多晶金属晶界,发现金属石墨烯复合材料的强度与应变硬化能力会显著提升,指出多晶金属的石墨烯晶界起到对位错的封堵作用。SHUANG等9 从原子尺度分析了石墨烯边界效应对铜变形影响,表明Cu石墨烯纳米薄片的压缩过程中,游离石墨烯的强化效果不如周期性边界明显,这可能是由于被压缩的铜从各个方向溢出石墨烯薄片后,游离石墨烯边
23、缘充当位错源。YANG等10 用MD法研究了石墨烯层间距与石墨烯长度对镍基复合材料的拉伸性能,其强化主因是基底内石墨烯会对金属位错产生阻滞作用,阻碍膜-基界面的应力传递与扩展。CHU等 发现界面中面176表国程2023年Ti8C5纳米层会诱驱Cu/石墨烯间结合性更紧密,增强了Cu/石墨烯复合材料的力学性能。LONG等12 分析冲击响应下的Cu/石墨烯界面出现散裂,是造成抗拉强度降低主因,高温对石墨烯形成的缺陷更易造成铜原子穿过石墨烯界面。KIM等13 对铜/石墨烯、镍/石墨烯的复合材料展开单轴压缩试验,指出金属表面覆石墨烯的机械强度比纯金属提高的主因是金属内的石墨烯界面扮演了位错传播约束与阻碍
24、的功能。HUANG等14 指出金属镍内加入石墨烯片可有效阻断位错传播,并随石墨烯层长增加,仿生纳米复合材料的强度和硬度降低,而增加石墨烯层长可避免石墨烯片端的位错形核。ZHAO等15 研究铜表面覆单层石墨烯受载产生断裂经历了3个阶段,指出断裂后的石墨烯仍保持一定强化性,对铜衬底界面附近位错滑移行为有显著影响。另外,在研磨过程,重载负荷会严重破坏金属内嵌入石墨烯的均匀性与完整性,促进石墨烯界面与金属内位错的耦合反应,导致负强化效应出现16-17 。综上分析,国内文献对此相关研究尚无报道,而国外研究目前加石墨烯强化金属性能提升主要集中于压缩、拉伸、压痕相关研究(8-17 ,尚未报道膜-基界面接触质
25、量与强化性能的关联,极少分析石墨烯边界效应的褶皱不同对界面接触质量与强化性能的贡献。本文通过构建纳尺度铜石墨烯三维模型,基于纳米压痕法研究铜表面覆石墨烯受载诱导的动态接触变形与力学强化性能。研究成果将对石墨烯褶皱效应调控金属韧塑化具有一定基础理论价值,也对低维原子晶体材料与金属间的膜-基界面耦合提升材料使役性能起到一定指导意义。1分子动力学理论计算1.1条件设置基于MD法建立铜/石墨烯的三维物理模型(图1a和图1b)。运用纳米压痕法测量材料硬度、弹性模量等力学性能18 。单晶铜X、Y、Z尺寸分别为2 0.8、2 0.8、15nm,晶向依次为112 、【110 、111,模型X、Y轴用周期性边界
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