关键词： 芳纶纳米纤维   氮化硼纳米片   石墨烯   个人热管理   电磁屏蔽  

摘要： 全球变暖与极端高温天气的加剧使得高温情景下人体的热调控对人类健康具有重要意义。然而,普通的纺织品作为人体与外界环境的交互屏障缺乏高效的温度调节机制,无法实现高温场景下地有效降温。芳纶纳米纤维因其耐高温和高强度而被视为复合材料的理想选择,通过将芳纶纳米纤维与导热填料复合,有效提高了复合材料的导热性能和机械性能。分别选用具有良好导热性的氮化硼纳米片(BNNS)和还原氧化石墨烯(RGO)作为导热填料,通过溶胶凝胶湿法纺丝构筑了具有取向度高的并且在纤维内部形成三维导热网络结构的导热复合纤维材料。本文主要开展了以下工作: (1)首先利用一种相对友好的N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)/氯化锂(Li Cl)体系,在聚乙二醇二甲醚(DME)界面调节剂的作用下,通过对苯二胺(PPD)和对苯二甲酰氯(TPC)两种单体低温聚合一步组装了大批量的芳纶纳米纤维(ANFs)。界面调节剂的加入与合成的聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)分子间竞争形成氢键,ANFs的形成在宽度方向受到限阈,由于限阈效应,ANFs优先沿着长度方向生长,其平均直径约为30nm。 (2)BNNS以其超高的导热系数和优良绝缘性能而被广泛研究。通过水热与球磨相结合的方法大批量制备了大片、超薄的BNNS。制备的氮化硼纳米片具有1～2μm的横向尺寸和2～3 nm的厚度。采用N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)对BNNS表面进行有机改性,得到改性后的氮化硼纳米片(K-BNNS),增加BNNS表面氨基官能团,从而进一步增强K-BNNS和ANFs的界面相互作用。在此基础上通过溶胶凝胶湿法纺丝制备了直径约为110μm的K-BNNS/ANFs导热纤维。重点研究了K-BNNS不同含量时对导热纤维的导热性能和机械性能的影响。随着K-BNNS含量的增加,得到了具有取向度高的三维网络结构导热纤维,其单根纤维轴向导热系数为22.4 W/(m·K),编织成织物的导热系数可达0.327 W/(m·K)。纤维初始分解温度高达518℃显示了良好的耐高温性能。这种低成本的制备方法获得的纤维使得具有优异散热能力的降温纺织品在新兴纺织品中具有广泛的应用前景。 (3)为了进一步提高导热纤维的导热性能以及实现导热纺织品的多功能化,使用RGO作为导热填料。为了改善氧化石墨烯(GO)在DMAc溶剂中的分散性,使用硅烷偶联剂(SI-561)对GO进行改性使GO表面含有更多的含氧官能团。基于ANFs制备RGO/ANFs导热复合纤维。重点研究不同RGO含量时对复合纤维的导热性能、力学性能以及电磁屏蔽性能的影响。当RGO含量增加到50 wt%时,其抗拉强度可达298.09 MPa,观察复合纤维的形貌,形成了紧密的,高度取向的三维网络结构,从而构成了有效的热传导和电磁波的传导路径。其中单根纤维的轴向导热系数为30.42 W/(m·K),热红外成像结果表明,RGO/ANFs纺织品的散热性能优于商品棉织物。并且RGO/ANFs纺织品具有高达49.8 d B的电磁屏蔽效率。该研究的导热复合纤维对于实现高温下局部微环境的热控制同时屏蔽电磁波的污染对人体健康具有重要意义。

关键词： 石墨烯   六方氮化硼   纳米材料   环氧复合涂层   Q235碳钢   防腐性能  

摘要： 钢结构材料在日常生活和工业中有着广泛的应用,其中Q235碳钢作为一种常见的低碳钢,因其性能优异且价格低廉已经被广泛应用于工业建筑、机械制造、船舶桥梁等领域。由于环境中各种因素（如大气、雨水等）对材料的侵蚀,随之而来的就是不可计量的金属腐蚀。金属腐蚀发生在基础设施、交通运输、能源以及生产制造等关系社会发展的各个领域,带来了巨大的经济损失及社会危害。涂料涂层作为一种较为经济、工艺简单、原料易得的防腐手段,涂层防腐技术逐渐被应用并持续改进。传统的涂层常常会用到一些会对环境造成污染的溶剂、对人体健康有害的有毒物质（如铬酸盐）,为了顺应绿色环保发展理念,传统涂料逐渐被绿色涂料替代。 水性环氧树脂因价格低廉、强度较高、附着力较好、具有一定的防水能力与耐腐蚀性能、且环境友好而被首选为防腐涂料或基体涂料。由于腐蚀环境的复杂不一,单一水性环氧树脂作为防腐涂层时,一方面存在耐水性差、溶剂挥发产生大量微孔,另一方面涂料固化过程中易产生裂缝或裂纹等问题都会严重影响其使用寿命。将涂料与纳米材料复合可以有效弥补水性环氧树脂存在的缺陷,改善涂层的耐腐蚀性能。基于此,本文选用纳米石墨烯（G）、六方氮化硼（h-BN）两种片层结构纳米材料,并设置梯度实验探究不同种类及含量的纳米材料添加到水性环氧树脂中对Q235钢的防腐性能影响。论文的具体研究内容与结论如下: （1）选用纳米石墨烯（G）作为填料,制备了不同浓度的石墨烯环氧复合涂层,系统的研究了不同浓度的石墨烯对复合涂层在3.5%Nacl溶液中腐蚀行为的影响。电化学测试结果表明,当石墨烯添加量为1wt.%时复合涂层防腐性能最佳,对Q235碳钢的保护效率达到97.3%。浸泡实验表明:在短期浸泡下,复合涂层具有一定的防腐性能;但长期浸泡,复合涂层容易吸水剥落。 （2）以六方氮化硼（h-BN）为添加剂加入水性环氧树脂中,电化学测试表明添加1wt.%的h-BN时复合涂层保护效率高达98.6%。通过原位浸泡实验系统的研究了复合涂层的长期腐蚀防腐性能,试验结果表明:经过10天的浸泡实验后涂层电阻R_f变化较小且依然保持较大值,Na Cl溶液对Q235碳钢的腐蚀速率逐渐减小。盐雾试验表明:h-BN能够有效的提升复合涂层对水和腐蚀介质的隔绝能力,其主要原因是h-BN具有良好的物理阻隔能力和电绝缘性,能够有效阻隔腐蚀介质并延缓金属表面电偶腐蚀的进行。 （3）将石墨烯与氮化硼按不同比例混合添加到水性环氧树脂中,在总含量为1wt.%下,按9:1、7:3、1:1、3:7、1:9的比例进行复配,电化学测试结果表明当石墨烯与氮化硼复配比例为1:1时,复合涂层的保护效率高达99.7%。经过长达30天的浸泡与盐雾实验,复合涂层仍然保持较高的阻抗模值和较小的腐蚀电流密度,且涂层无起泡剥落出现,除去涂层后碳钢表面完整无明显腐蚀痕迹,表明纳米石墨烯与六方氮化硼混合加入对水性环氧树脂有着协同作用,共同增强了环氧树脂涂层对Q235碳钢的防腐性能。

关键词： 电还原CO2   密度泛函理论   金属单原子催化剂   金属-氮-碳位点   结构-活性关系  

摘要： 化石燃料的大量使用导致大气中二氧化碳(CO2)浓度不断升高,引发了不可忽视的环境问题。利用可再生能源的电化学CO2还原反应(Carbon dioxide reduction reaction，CO2RR),能够将CO2转化为可利用的化学品,同时具有高效环保的优点,CO2RR技术有望成为解决CO2问题的重要途径。氮掺杂石墨烯负载的金属单原子催化剂(M-N-C)具有原子利用率高,结构明确且可调控的优点,目前实验上已提出多种M-N-C改性方法使其高效电催化CO2转化为C1产物。然而实验上通过试错法进行大规模筛选催化剂结构面临着低效率、高成本的问题,此外M-N-C也存在缺乏系统性的调控改性策略和生成多碳(C2+)产物活性不佳的挑战。本论文通过合理设计轴向配位修饰以及Cu纳米团簇串联协同策略,利用密度泛函理论(DFT)计算构建了p区元素轴向配位的MoN4(X-MoN4)和Cu团簇修饰的两种氮环境(吡啶氮-pd和吡咯氮-pl)配位的M-N-C(Cu/MN3/4-pd/pl)电催化剂,显著提高了 Mo金属单原子催化剂CO2RR的活性和选择性,实现了M-N-C高效电还原CO2形成C2产物,为改性提升M-N-C提供了重要的设计思路和机理见解。 针对Mo金属单原子与中间体相互作用过强导致其CO2RR活性低的问题,基于DFT第一性原理计算,系统地研究了 20种经p区元素配体轴向修饰的MoN4结构对CO2RR产一氧化碳(CO)和甲酸(HCOOH)的催化性能。轴向配体通过改变Mo金属单原子对中间体的吸附强度显著影响了 X-MoN4的活性和选择性,在HCOOH反应路径中,Ge-MoN4催化剂理论极限电势仅为-0.50V,表现出最佳的性能,同时有效抑制了析氢反应的发生。此外,系统的电子性质分析揭示了p区元素轴向配体对中心Mo原子的d轨道电子的调节作用,轴向配体不同程度地削弱了 Mo原子与中间体的轨道杂化强度,从而改变了反应吉布斯自由能。进一步的分析结果表明,X-MoN4催化剂的活性与轴向配体的固有性质高度相关,尤其是Mo-N键的键长和Mo原子与轴向配体元素之间的电负性差异。 针对孤立的金属单原子活性中心难以实现生产C2+产物的复杂过程的问题,结合金属单原子位点高效生成*CO中间体,以及铜团簇促进C-C耦合能力的优势,基于DFT计算系统地筛选了 80种不同种类和配位环境的Cu/MN3/4-pd/pl串联催化剂结构,以实现高效的电还原CO2生成C2产物目标。设计了三层关键标准,从微观机理层面分别研究了 Cu/MN3/4-pd/pl结构对*CO中间体的生成和迁移能力,以及促进C-C耦合能力。计算结果表明,Cu/RuN4-pl结构能自发生成*CO中间体,C-C耦合能垒仅为0.23 eV,表现出最佳的乙醇生产能力。同时,还建立了 CO吸附强度与*CO迁移能垒之间的相关关系,提出CO的吸附强度可作为CO生成与迁移难度的简易描述符。此外,进一步探究了 Cu/MN3/4-pd/pl的电子结构对中间体吸附强度的影响,结果表明,金属单原子与CO之间温和的d-π,d-O和dπ*相互作用导致了适度的CO强度。

关键词： 石墨烯   凹坑结构   传热与流动特性   电热元件   热舒适性  

摘要： 随着清洁供暖形式发展迅速,电采暖方式受到的关注度日益提高,暖风机作为常见的电采暖设备,也广泛应用于居民供暖、工业生产采暖等领域。为了提高暖风机核心部件电热元件的可靠性与其传热流动特性,基于石墨烯强化金属表面辐射传热和凹坑减阻与强化对流传热特性,设计研发了一种新型结构电热元件。通过实验和数值模拟对新型电热元件传热与流动特性进行了分析,并基于该新型电热元件制备了暖风机,进一步开展了热舒适性测试与分析。 基于设计并搭建的石墨烯金属表面发射率与温升特性实验系统,获得涂覆石墨烯的铝基板表面平均发射率从0.25增加到0.94,铝基材表面升温速度提升约为40%,表面温度从97.2℃降到81.6℃,降低约19%。基于风洞测试实验平台,具有凹坑结构的电热元件相较于光滑表面的电热元件Nu值增加约6.22%,阻力系数f减少约1.98%,PEC值为1.0693,发现凹坑结构具有减阻和强化传热的效果。相较于光滑表面,涂覆石墨烯后电热元件Nu值增加约30.3%,电热转换效率提高约6%。 利用数值模拟方法,分析了凹坑直径、间距等因素对电热元件流动与传热特性的影响,结果表明:相较于光滑表面,具有凹坑结构的电热元件周围流线更为密集,凹坑内部存在微小旋涡,表面温度更低。凹坑结构有效破坏了热边界层和流动边界层,同时延后了电热元件边界层的分离,使电热元件下游的旋涡面积明显减小。电热元件的Nu值随Re数增加而增加,f值随Re增加而减小;在Re=1331～3329范围内,凹坑结构比光滑表面的电热元件Nu值增加约15.9%,f值减少约3.5%。相同Re下,电热元件的Nu整体趋势是随凹坑直径增大而减小、随凹坑间距增大而增大、随凹坑深度增大先减小再增大。阻力系数f的整体趋势是随着凹坑直径增大而增加、随着凹坑间距增大而减小、随着凹坑深度增大先增大再减小。通过最小二乘法获得了不同凹坑结构电热元件的Nu值、f值与Re数之间的准则关联式。 对耦合石墨烯与凹坑结构的新型暖风机进行了热舒适性分析,结果表明:相对于具有光滑表面电热元件的暖风机,前述新型暖风机温升过程中,受试者四周温度提高约4.8%,身体局部部位感觉更温暖;分析红外热像仪获得的云图发现,受试者身体表面温度最高提高约36%。

关键词： 石墨烯   氧还原反应   析氧反应   单/双原子催化剂   密度泛函理论  

摘要： 环境污染和能源短缺问题日益严峻,金属空气电池、燃料电池等清洁能源装置能够有效地缓解这些问题。但其中涉及的析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）的动力学过程缓慢,过电位（η）较高。因此,寻找高效的催化剂促进其反应具有重要意义。本文通过密度泛函理论（DFT）,计算在酸性环境中,d电子全满态的锌（Zn）或镉（Cd）原子掺杂不同N浓度配位的不同空位石墨烯催化剂,得到了具有优异氧电极反应催化能力的催化剂构型。主要研究如下: （1）构建了单空位和双空位Zn@NC-Gra催化剂,通过能量计算和动力学模拟证明Zn@NC-Gra催化剂具有良好的热力学稳定性。对活性中心Mulliken电荷分析,发现随着N浓度升高,Zn失去的电子数也逐渐增加。优化吸附构型后,OOH*和O2*为侧吸附时更稳定。在OOH*中的Zn-O键长比OH*中的更长。分波态密度和差分电荷密度证明中间体有效地与催化剂反应,产生显著的电荷转移。结合吉布斯自由能变化（ΔG）,得出Zn@N2C1-Gra的OER催化性能好,η为0.61V。此外,Zn@N3C1-Gra的ηORR仅为0.45V,表现出理想的催化活性。 （2）计算了双空位Cd@NC-Gra催化剂,其形成能随着N浓度的增加而减小,N浓度越大结构越稳定。分析基底的电荷,发现电子的得失主要集中在活性中心区域,Cd电荷的减少与N浓度成正比。研究不同反应路径的中间体吸附能,得出Cd的d带中心越靠近费米能级,反应中间体的吸附能越强。OOH、O和OH吸附自由能递减,且GOOH*的值随着N含量的增加而逐渐减小。结合差分电荷密度,发现中间体和基底之间有明显的吸附作用。基于ΔG计算,得到了反应最低的η。发现Cd@N2C2-o-Gra是一种高效的ORR和OER双功能催化剂,其ηOER=0.48 V,ηORR=0.64 V。Cd@N4C0-Gra的ηOER仅为0.49 V,是一种高效的OER催化剂。 （3）研究了Cd/Zn@NC-Gra双金属催化剂,发现适当N配位的催化构型,结合能最高,过高或过低N浓度都降低了金属稳定性。利用能带结构和差分电荷密度得出催化剂拥有良好的电子转移能力。强烈的原子间相互作用,加强了金属原子的锚定,证明了催化剂的稳定性。分析ORR和OER的反应路径,发现含氧中间体最稳定的吸附构型为桥位吸附和侧吸附。通过计算ΔG和η,得到了不同催化剂的催化性能。结合火山图分析,得出Zn Zn@N1C5-Gra是优异的双功能催化性能,ηOER=0.50 V,ηORR=0.47 V,Zn Zn@N2C4-Gra是一种高效的OER催化剂,ηOER为0.45 V。

关键词： 改性硅酸钾   水性无机富锌涂层   环氧有机富锌涂层   石墨烯纳米片   耐蚀性  

摘要： 碳钢是一种性能优异的材料,具有较强的强度、硬度、耐磨性,以及良好的加工性等特点,在生活中广泛应用。但是碳钢材料面临腐蚀问题。在众多防腐措施中,富锌涂层是一种很好的防腐措施。为了延长碳钢的使用寿命,提高富锌涂层的耐蚀性能很重要。石墨烯纳米片(Gnps)是一种性能优异的纳米材料,石墨烯纳米片本身的片层结构,添加到涂料中可以减少富锌涂层内部孔隙。除此之外,石墨烯纳米片具有导电性。石墨烯纳米片加入富锌涂层会对涂层的性能产生影响。 为了具体研究Gnps对富锌涂层的影响,将Gnps加入富锌涂层后、通过扫描电子显微镜(SEM)测试,观察富锌涂层的表面形貌。并对涂层进行铅笔硬度测试、柔韧性测试、附着力测试、抗冲击强度测试,讨论Gnps对富锌涂层力学性能的影响。通过盐雾试验、电化学试验测试富锌涂层的耐蚀性。对富锌涂层的腐蚀过程进行讨论,分析富锌涂层的防腐机理。在制备水性无机富锌涂层过程中,为了提高涂层成膜性,对硅酸钾进行改性。 最终试验表明,硅溶胶溶液对硅酸钾改性效果最好,硅溶胶改性后的硅酸钾溶液成膜效果最好,并且可以稳定存在40天。80 wt.%锌粉含量的水性无机富锌划痕涂层耐盐雾时间达到了990小时。将0.9 wt.%Gnps加入80 wt.%锌粉含量的水性无机富锌涂层后,耐盐雾时间达到了1090小时,相比于未添加Gnps的涂层,耐盐雾时间提升了14.7%。电化学测试表明,加入0.3 wt.%-0.9 wt.%Gnps后,延长了水性无机富锌涂层的阴极保护作用时间。 环氧有机富锌涂层加入0.9 wt.%-1.5 wt.%Gnps,铅笔硬度从4 H上升到5 H。加入Gnps后,环氧有机富锌涂层在盐雾试验1600小时腐蚀情况减缓。加入0.3 wt.%Gnps后,提高了环氧有机富锌涂层的阻隔性,增强锌粉的电连接性,提升阴极保护作用,使环氧有机富锌涂层的耐蚀性提升。

关键词： 石墨烯纳米卷   阳离子-π相互作用   磁性   磁损耗   吸波性能  

摘要： 随着电磁波技术的广泛应用,电磁污染问题日益严重,因此对电磁波防护技术提出更高要求。现有吸波材料在有效吸收带宽和微波衰减能力等方面存在一定不足,难以满足实际应用需求。因而,本论文通过对石墨烯的结构设计、制备和磁性调控一体化研究,获得了兼具宽带吸收和强损耗的石墨烯纳米卷基吸波材料,为电磁波防护技术的发展提供理论依据和参考。 采用液相自组装法,以氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）和金属阳离子为原料制备GO纳米卷,采用SEM、TEM、UV-Vis、FTIR和DLS等技术对GO纳米卷结构进行表征分析,研究原料配比、GO氧化程度、金属阳离子种类和p H对GO卷曲的影响规律,探讨GO卷曲机制。研究发现,当GO含氧量为53.1%,GO、Li+和CNTs质量比为3:6:1时,所得GO纳米卷具有规整的阵列结构。Li+、Na+、K+、Ca2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+、Ni2+、Co2+和Fe3+等多种金属阳离子均可驱动GO发生卷曲形成纳米卷。机制分析表明,金属阳离子的正电荷与GO和CNTs的π电子之间形成了阳离子-π相互作用,驱动GO围绕CNTs表面发生连续卷曲,形成GO纳米卷。在酸性和碱性条件下,GO表面含氧官能团质子化或发生脱羧反应,降低表面电荷并削弱静电排斥作用,进而促进GO的卷曲。 采用液相自组装和热还原法,以GO、CNTs和Na+为原料,在碱性条件下制备孔缺陷石墨烯纳米卷吸波材料,通过TEM、XPS、EPR和PPMS等手段研究热还原温度对孔缺陷石墨烯纳米卷微观形貌、结构、磁性和吸波性能的影响规律,探讨孔缺陷石墨烯纳米卷的吸波机制。结果表明,制备的石墨烯纳米卷具有规整的阵列结构,且含有丰富、均匀的孔缺陷,孔缺陷边缘原子不饱和而产生磁矩,磁矩间的耦合作用进一步提升磁性。当热还原温度为550℃时,孔缺陷石墨烯纳米卷具有最高的磁性,饱和磁化强度为0.93 emu g–1。当厚度为3.01 mm时,孔缺陷石墨烯纳米卷吸波材料的有效吸收频段为11.0～18.0GHz,对应的带宽为7.0 GHz,最小反射损耗为-62.10 d B。这是由于在碱性条件下GO发生脱羧反应生成的碳酸钠刻蚀纳米卷使其形成孔缺陷,由孔缺陷引入的磁矩致使纳米卷产生磁性,提升了石墨烯纳米卷的磁损耗能力,进而增强了吸波性能。 以GO、CNTs和Fe3+为原料,通过液相自组装结合热还原法,在酸性条件下制备FeOx@石墨烯纳米卷复合材料,研究热还原温度对FeOx@石墨烯纳米卷复合材料微观形貌、晶体结构、磁性和吸波性能的影响规律,探讨FeOx@石墨烯纳米卷复合材料的吸波机制。结果表明,三维FeOx@石墨烯纳米卷复合材料包含零维FeOx纳米颗粒和一维纳米卷,形成多级结构。FeOx纳米颗粒的组分随热还原温度的变化而改变,当热还原温度为650℃时,FeOx呈现出Fe、Fe2O3和Fe3O4三组分。当厚度为2.99 mm时,650℃下制备的FeOx@石墨烯纳米卷复合材料有效吸收频段为10.4～18.0 GHz,对应的带宽为7.6 GHz,最小反射损耗为-88.70 d B。FeOx@石墨烯纳米卷复合材料的多级结构促进了电磁波的反射和散射;FeOx纳米颗粒的磁性增强了石墨烯纳米卷的磁损耗能力;FeOx纳米颗粒中Fe、Fe2O3和Fe3O4之间形成了丰富的界面结构,提升了界面极化损耗,协同优化了阻抗匹配程度,进而增强了吸波性能。

关键词： 石墨烯/六方氮化硼横向异质结   力学强度   弯曲刚度   柔性调控  

摘要： 柔性材料为科技创新和发展提供了机遇,其在电子器件、医疗检测设备、能源、航空航天等领域都具有重要的应用前景。近年来,材料的多功能性、导电性、透光性、可降解性、环保性和柔性正在研究人员的努力下逐步完善,由此可见柔性材料的研发是一大热点。研究方法中的理论模拟能够预测材料的性质,在一定程度上为工业生产节省了成本。我们的研究针对的是材料的力学性质。石墨烯有着优异的柔性和力学强度,但是石墨烯样品通常含有晶界等各种缺陷,这些缺陷可以增强或削弱石墨烯的力学强度。因此,探索晶界对石墨烯柔性的影响有助于设计石墨烯柔性器件。缺陷环就是石墨烯缺陷中常见的一种。缺陷环的存在不仅使大量的石墨烯同素异形体进入人们的视野,而且提升了异质结的多样性。我们的研究对象就是用五七元环连接不同的材料形成的异质结。 本文选择的异质结分为两种:一种是通过晶界连接armchair(AC)和zigzag(ZZ)边界石墨烯形成的石墨烯异质结,另一种是石墨烯/六方氮化硼横向异质结(G/h-BN),由石墨烯和h-BN横向连接形成。采用第一性原理计算方法得到表征力学性质的参数,对应着第三和第四章的内容。首先,我们研究了石墨烯异质结的柔性,旨在通过异质结调整石墨烯的柔性。在这里,构建了具有可调AC与ZZ比率的石墨烯异质结。研究发现,石墨烯异质结的弯曲刚度和杨氏模量低于原始石墨烯。而且,通过进一步调整AC与ZZ的比例,可以使石墨烯异质结具有比完美的石墨烯更好的柔性。除此之外,改变AC与ZZ的比率甚至可以改变石墨烯异质结在不同方向上的相对柔性。因此,石墨烯异质结提供了一种调控石墨烯柔性的方法,有助于理解二维材料的力学性能和设计柔性器件。其次,我们还研究了G/h-BN的力学性能,包括杨氏模量、力学强度和弯曲刚度。结果表明,通过改变G/h-BN异质结中石墨烯的比例,可以有效地调控异质结的力学强度和弯曲刚度。G(AC)/h-BN(ZZ)和G(ZZ)/h-BN(AC)异质结沿x和y方向的弯曲刚度都随着石墨烯比例的增加而增大,但是在同一个方向上不同边界对力学性质的调节程度也是有变化的,这也为设计一定柔性的二维材料提供了理论参考。 综上,虽然石墨烯在AC和ZZ方向的力学强度和柔性基本一致,连接AC边界和ZZ边界形成异质结,可以有效调控材料的力学性质,为二维材料力学性质调控提供了一种新的设计思路。

关键词： 石墨烯   多面体衬砌   临界屈曲荷载   热屈曲  

摘要： 地下管道是城市运行的生命线。它常用于运输具有腐蚀性的液体、天然气等。在长期服役后,管道难免会出现老化、破损等现象,其特征是管道的表面出现一些裂纹。裂纹会导致管道失去正常的运输功能,严重的会导致气体泄漏,遇明火发生爆炸,造成重大的生命财产损失。因此,修复破损的管道,使其恢复正常的运输功能,是十分有必要的。国内外常用的一种非开挖且经济有效的修复办法是在管道内贴一层薄壁的柔性衬砌,构成管道-衬砌系统。但是,此系统中的薄壁衬砌会受到外荷载以及热环境等的影响而发生屈曲,失去稳定性。如何提升薄壁衬砌的稳定性,是长期困扰学术界和工程界的一个技术难题。本文提出了一种新型的多孔金属石墨烯复合材料(FGP-GPLs)多面体衬砌结构来增强管道-衬砌系统的稳定性,具体工作通过以下五个方面展开研究: (1)提出了石墨烯-多孔金属材料不均匀性的参数化模型,结合经典壳体理论和能量法,建立了预测石墨烯-多孔金属圆衬砌屈曲的理论模型,分析了石墨烯和孔隙对屈曲的贡献机制。 (2)建立了管道-多面体衬砌系统,参数化了多面体衬砌的几何特性,研究了均压和热环境作用下的失稳规律,量化了多面体形状对屈曲承载力的影响机制。 (3)提出了一种新型的多孔石墨烯复合材料多面体衬砌结构,构建了系统的解析模型来阐明该新型结构在均压和热环境耦合效应下的屈曲路径演变规律。 (4)探究了受热的石墨烯复合材料多面体衬砌在集中力作用下的非线性屈曲理论,分析了石墨烯、孔隙以及多面体耦合作用下的薄壁衬砌结构的失稳机理。 (5)揭示了多孔石墨烯复合材料多面体衬砌的非线性热屈曲机理,提出了预测复合衬砌最小温度变化和临界温度变化的理论模型,追踪了从加载开始到后屈曲的温度-位移平衡路径,从机理上阐明了该结构的非线性热屈曲演化规律。 本文提出了一种新型多孔金属石墨烯多面体衬砌结构,建立了系统的屈曲理论模型,揭示了该复合衬砌结构的屈曲机理,为实际工程应用提供了理论支撑。结果表明:多面体形状边数越小的衬砌结构的抗屈曲能力越强,石墨烯会显著增强抗屈曲能力,而孔隙减弱抗屈曲能力。