石墨烯_Al基复合材料界面性质与电子结构的第一性原理研究.pdf

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1、硕士学位论文石墨烯/Al基复合材料界面性质与电子结构的第一性原理研究RESEARCHONINTERFACEPROPERTIESANDELECTRONICSTRUCTUREOFGRAPHENE/ALCOMPOSITESBYFIRST-PRINCIPLESCALCULATION刘越哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG146.2+1学校代码：10213国际图书分类号：669.295密级：公开工程硕士学位论文石墨烯/Al基复合材料界面性质与电子结构的第一性原理研究硕士研究生：刘越导师：孙东立教授申请学位：工

2、程硕士学科：材料学所在单位：材料科学与工程答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG146.2+1U.D.C:669.295DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONINTERFACEPROPERTIESANDELECTRONICSTRUCTUREOFGRAPHENE/ALCOMPOSITESBYFIRST-PRINCIPLESCALCULATIONCandidate：LiuYueSupervisor：

3、Prof.SunDongLiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MasterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要石墨烯具有远远高于传统材料的物理及力学性能，且二者

4、完美统一，是理想的增强体材料，已证明其作为增强体能够大幅提升复合材料性能。石墨烯/Al复合材料具备高比强度、优异延展性及良好机加性能，其较于传统Al基复合材料性能有显著改善。目前石墨烯/Al复合材料的试验研究主要在组织表征与性能研究等领域，而对复合材料结合的重点—界面结合机制的研究受石墨烯特点及设备因素制约。第一性原理在复合材料界面结合、成键类型、界面电子结构等领域研究不受材料和仪器限制，弥补了试验的不足。本文采用第一性原理研究了石墨烯/Al复合材料相界面的界面稳定性、能量大小、电子结构。石墨烯/Al复合材料存

5、在石墨烯、Al、Si及4H-SiC相。对多层石墨烯的能量计算结果表明：双层石墨烯以AB型堆垛顺序排列、三层石墨烯以ABA型堆垛顺序排列的总能量较低。对石墨烯的单空位缺陷、双空位缺陷及拓扑缺陷三种缺陷的能量讨论，缺陷类型为拓扑缺陷时，缺陷形成能最小；缺陷的引入能够提高石墨烯的非金属性，同时缺陷对石墨烯起到钉扎作用。对石墨烯/Al复合材料的Al、Si、4H-SiC相的多个低指数表面的表面能计算结果表明，表面能最低的表面分别是Al(111)面、Si(011)面，能量值分别为0.6363J/m2、1.0556J/m2；

6、4H-SiC的非极性表面中SiC(112̅0)面表面能最低；4H-SiC极性表面中和非极性表面SiC(0001)-Si终端，表面Si原子仅含有一个未饱和键的表面的表面能最低。利用第一性原理研究了合金元素掺杂的纯Al/石墨烯/纯Al界面的界面稳定性、电子结构。对于Al/石墨烯/Al界面模型，不同层数石墨烯及不同的石墨烯-Al间界面结合方式几乎不影响界面结合强度；结合界面分离功和界面间距判定界面结合机制为弱相互作用（物理吸附）或机械结合；Al/缺陷石墨烯/Al界面的界面结合稳定性较纯铝有所提升，界面分离功大小提升到

7、-1.1764J/m2。分别引入Si、Mg合金元素，均提高了界面的界面分离功。掺杂原子与石墨烯间存在电子相互作用，Si、Mg原子与石墨烯结合机制为强相互作用（化学吸附）。本文研究了石墨烯/Al复合材料相界面性质。Si/单层石墨烯/Si界面的界面分离功大小为0.0278J/m2，Si和C之间存在少量电荷转移。SiC/单层石墨烯/SiC界面中SiC(112̅0)/石墨烯(0001)/SiC(112̅0)界面的界面分离功值较高，为0.0132J/m2。SiC(112̅0)/石墨烯(0001)/SiC(112̅0)界面

8、第一层Si原子与石墨烯间与C和石墨烯间相比发生更加强烈的电荷转移，其界面结合机制主要为SiC中的Si原子与石墨烯C原子的共价结合。对于Al/石墨烯/Si界面，Al(111)/单层石墨烯/Al(111)界面的界I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文面分离功值为0.191J/m2；Al(111)/双空位缺陷石墨烯/Al(111)界面的界面分离功值为1.7695J/m2。Al(111)/双空位缺陷