五石墨烯在不同載荷條件下的變形和斷裂機制尚不清楚，也沒有深入研究。因此，利用分子動力學模擬的獨立納米壓痕技術，研究了五石墨烯的力學和過渡/破壞變形特性。考慮球形和圓柱形壓頭尺寸、加載速率和溫度的影響，對五石墨烯在球形和圓柱形壓頭下的壓痕行為進行了參數化比較和分析。結果表明，在球形和圓柱形壓痕下，五石墨烯表現出不同尋常的塑性變形特征，這與之前在單軸拉伸和剪切載荷下觀察到的特征一致。塑性變形源于在大壓痕深度處發生的五邊形到多邊形的結構轉變。五石墨烯在球形壓頭下的破壞力明顯低于圓柱形壓頭下的破壞力;這是由于球形壓頭的相互作用面積小，應力集中程度高。我們還確定了壓痕參數，以準確預測使用球形或圓柱形壓痕的五石墨烯的力學參數，以及這些參數如何影響納米壓痕結果。研究發現，在球形壓頭和圓柱壓頭下，五石墨烯的楊氏模量對加載速率不敏感，但總體上隨著溫度的升高而降低。
圖1. 五石墨烯原子結構示意圖及壓痕MD模擬模型。 2 × 2的五石墨烯超晶胞的(a)側視圖和(b)俯視圖;獨立的五石墨烯(c)球形和(d)圓柱形壓痕。
圖2. 石墨烯在(a)球形壓痕和(b)圓柱形壓痕下的力-壓痕深度曲線。
圖3. 五石墨烯在(a)球形和(b)圓柱壓痕下的力-壓痕深度曲線。
圖4. 球形壓痕下五石墨烯的斷裂擴展。(a) δ= 0 nm (b) δ= 4.7 nm (c) δ= 11.1 nm (d) δ= 15.4 nm。頂部和中間行分別代表五石墨烯壓痕的側面和頂部視圖，底部行顯示靠近壓痕的局部放大原子構型。
圖5. 五石墨烯在圓柱壓痕下的失效演化。(a) δ= 0 nm (b) δ= 9.97 nm (c) δ= 14.98 nm (d) δ=21.01 nm。頂部和中間行分別與五石墨烯壓痕的側面和頂部視圖相關，底部行顯示靠近壓痕或邊緣的局部放大原子構型。
圖6. 不同壓痕深度下(a)球形壓痕和(b)圓柱形壓痕的五石墨烯的面內應力分布。
圖7. 不同壓痕參數對五石墨烯楊氏模量的影響。(a)球形壓痕下楊氏模量與a/R的關系，(b)圓柱形壓痕下楊氏模量與L/R的關系，(c) 固定a/R，球形壓痕下楊氏模量與a的關系，(d) L和R固定，圓柱形壓痕下楊氏模量與W/L的關系，(e)楊氏模量與加載速率的關系，(f)楊氏模量與溫度的關系。
相關研究成果由江蘇大學土木工程與力學學院Tongwei Han等人于2023年發表在Mechanics of Materials (https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2023.104628 )上。原文：Free standing nanoindentation of penta-graphene via molecular dynamics: Mechanics and deformation mechanisms
轉自《石墨烯研究》公眾號
