最近的实验表明，石墨烯/金属纳米复合材料中金属粒径对其强度和延展性有显著影响。随着粒径的减小，强度有增大的趋势，而延展性有减小的趋势。但对这些观察结果进行定量评估仍然是一个挑战。在本文中，我们建立了一个从纳米到宏观尺度的分级方案来评估这些性能对粒径和石墨烯体积浓度的依赖。在纳米尺度上，通过密度泛函理论(DFT)评价了石墨烯纳米填料和金属基体的弹性性能。在微观尺度上，韧性金属的塑性由基于位错密度的本构方程描述，其退化过程由微孔洞的产生来解释。在宏观尺度上，我们考虑在被降解的金属基体中随机分布的石墨烯纳米片体系。采用双尺度均匀化方法，借助场波动法计算了总体的石墨烯/金属纳米复合材料的晶粒尺寸依赖性应力-应变关系。在此过程中，还考虑了与粒径相关的微空洞不断产生的热力学驱动力，以及围绕石墨烯纳米填料的超薄不完美界面的影响。结果表明，该分级方案的预测结果与石墨烯/铝纳米复合材料的实验数据吻合较好。通过晶粒尺寸控制过程，该多尺度理论为石墨烯/金属纳米复合材料的设计和应用提供了有益的指导。
 
 
图1. 金属粒径减小时石墨烯/金属纳米复合材料的强度和延展性。
 

图2. (a)石墨烯/铝纳米复合材料的SEM图像;(b)石墨烯/铝纳米复合材料中产生的微孔洞的金属断面显微图。
 

图3. 石墨烯/金属纳米复合材料的塑性和渐进降解粒径依赖性的分级多尺度均匀化原理图:(a)纳米尺度体系;(b)微尺度系统;(c)宏观尺度系统。
 

图4. 石墨烯纳米填料的笛卡尔坐标系示意图。
 

图5. (a)一个2 ×2 ×2全相关的铝晶体超晶胞，其点缺陷由中心的白色球体所描述;(b)由石墨烯标准常规晶胞形成的5×5 ×1全相关的超晶胞。
 
 
图6. 石墨烯/金属纳米复合材料的塑性和渐进降解粒径依赖性的多尺度均匀化方案的数值模拟流程图。
 

图7. 石墨烯/铝纳米复合材料的金属粒径与球磨时间的关系(式(28))。
 
  
图8. (a)不同热力学过程下石墨烯/铝纳米复合材料的有效应力-应变曲线。 (b)应变梯度和损伤对石墨烯/铝纳米复合材料应力-应变曲线的单独影响。
 

图9. (a)未增强金属Al和(b)石墨烯/Al纳米复合材料的有效应力-应变曲线与球磨时间的关系。
 

图10. 不同球磨时间时石墨烯/铝纳米复合材料的降解参数与真实应变的关系。
 
 
图11. 不同球磨时间时石墨烯/铝纳米复合材料的降解率与真实应变的关系。
 
 
图12. 不同球磨时间下，石墨烯/铝纳米复合材料的金属基体中位错密度与真实应变的关系。
 

图13. 不同石墨烯体积浓度时石墨烯/铝纳米复合材料的(a)拉伸强度和(b)极限应变与球磨时间的关系。
 

图14. 不同球磨时间下石墨烯/铝纳米复合材料相对于不完美界面指数的(a)抗拉强度和(b)极限应变。插图描述了相对于不完美界面指数的相应变化率。
 
       相关研究成果由中南大学土木工程学院Xiaodong Xia等人于2021年发表在International Journal of Engineering Science (https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2021.103476)上。原文：A hierarchical scheme from nano to macro scale for the strength and ductility of graphene/metal nanocomposites。

转自《石墨烯研究》公众号