闭孔正二十面体石墨烯微结构设计与充压分析

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1、硕士学位论文闭孔正二十面体石墨烯微结构设计与充压分析DESIGNANDPRESSUREANALYSISOFCLOSED-CELLICOSAHEDRONGARPHENEMICROSTRUCTURES连尹哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TB303学校代码：10213国际图书分类号：531密级：公开工学硕士学位论文闭孔正二十面体石墨烯微结构设计与充压分析硕士研究生：连尹导师：谭惠丰教授申请学位：工学硕士学科：工程力学所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学

2、工学硕士学位论文ClassifiedIndex:TB303U.D.C:531DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDPRESSUREANALYSISOFCLOSED-CELLICOSAHEDRONGARPHENEMICROSTRUCTURESCandidate：LianYinSupervisor：TanHuifengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EngineeringMech

3、anicsAffiliation：CenterforCompositeMaterialsDateofDefence：Jun,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要石墨烯出色的力学性能使之成为一种理想的结构材料，本文提出一种由石墨烯构成的闭孔正二十面体微结构，通过在单层石墨烯结构中充填氦气或氢气等轻于空气的气体实现结构轻于空气。讨论了闭孔正二十面体石墨烯微结构的构成途径和组织方式，分析验证了闭孔正二十面

4、体石墨烯微结构轻于空气的可行性和实现条件，评估了闭孔正二十面体石墨烯微结构内充压力、密度、尺寸、稳定性之间的关系。设计了轻于空气的闭孔正二十面体石墨烯微结构并对其充压能力进行计算。选取体积面积比较大的类球形多面体结构，提出了几何关系优先原则，利用石墨烯组合拼接，完成了闭孔正二十面体石墨烯微结构设计，获得了单层闭孔正二十面体石墨烯微结构几何尺寸与密度之间的关系，得到了满足轻于空气条件的最小几何尺寸和最佳构成方式。编写软件GraCreator建立闭孔正二十面体石墨烯微结构分子动力学模型，利用LAMMPS计算两种极端受压情

5、况，即在纯外压作用和纯内压作用下的闭孔正二十面体石墨烯微结构，得出闭孔正二十面体石墨烯微结构适用的气压条件，分析闭孔正二十面体石墨烯微结构在密度小于空气时结构的可行性和稳定性。为了提高闭孔正二十面体石墨烯微结构相关分子动力学计算的效率，建立了粗粒化分子动力学模拟分析模型。总结了粗粒化势函数中不同参数对粗粒化石墨烯片力学性能影响的规律，并利用力学性能的一致性作为判据获得极限应变和强度偏差最小的势函数参数，建立了粗粒化分子动力学模拟参数，以此提高闭孔正二十面体石墨烯微结构的计算效率，为计算更大尺寸的闭孔正二十面体石墨烯微

6、结构提供可行途径。考虑了石墨烯中常见缺陷对闭孔正二十面体石墨烯微结构力学性能的影响。利用含缺陷的石墨烯片拉伸分析了石墨烯中存在缺陷对力学性能的影响方式和程度。在石墨烯片的基础上分析了含缺陷的闭孔正二十面体石墨烯微结构，讨论了不同缺陷对闭孔正二十面体石墨烯微结构的影响程度，为实际制备和应用闭孔正二十面体石墨烯微结构提供参考。该结构的提出拓展了目前超轻材料的研究范围和实现途径，为轻于空气材料的研究探索了一条新途径。关键词：闭孔石墨烯结构；超轻材料；粗粒化；石墨烯缺陷；充压结构-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Abstr

7、actTheexcellentmechanicalpropertiesofgraphenemakeitanidealstructuralmaterial.Thispaperproposesaclosed-cellicosahedronmicrostructureconsistingofgraphene,whichislighterthanairbyfillingheliumorhydrogeninasingle-layergraphenestructure.Theformationandorganizationofc

8、losed-cellicosahedralgraphenemicrostructureswerediscussed.Thefeasibilityandimplementationconditionsoftheclosed-cellicosahedralgraphenemicrostructureslighterthanairwereanalyz