全文速递 - 先进材料多尺度力学

       近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队在国际知名期刊《Thin-Walled Structures》发表了题为《Strength of 2D materials with multiple defects》的研究论文。本文聚焦于二维材料多缺陷相互耦合的力学特性，采用分子动力学模拟解释了缺陷不敏感性的物理机制，并根据局部原子应力与本征强度的平衡关系构建了二维材料普适性强度准则。

内容概述

       二维（2D）材料因其卓越的力学、电学和热学性能，广泛应用于先进电子设备和能源存储设备，如纳米传感器、场效应晶体管和高性能超级电容器。尽管通过化学气相沉积（CVD）法大规模合成完美二维材料仍面临重大挑战，但在实验合成的二维材料中，常常不可避免地出现多种共存缺陷，如孔洞、晶界和裂纹，这些缺陷通过增强局部应力集中，显著降低了材料的力学性能。此外，力学性能的退化不仅受施加的载荷方向影响，还与缺陷的空间分布和取向密切相关。因此，深入理解二维材料中复杂缺陷相互作用对力学行为的影响，对于提升其在实际应用中的力学完整性和可靠性至关重要。

       他们采用分子动力学（MD）模拟，研究了具有配对缺陷的石墨烯和氮化硼的断裂行为(图1)。研究结果表明，缺陷的不敏感性源自于缺陷间的非耦合性特征，且特定键总是主导失效(图2)。然而，当缺陷之间的距离减小时，材料的破坏模式由单一缺陷主导转变为缺陷相互作用耦合主导的破坏(图3)。研究发现，随着缺陷距离的减小，耦合作用逐渐增强，导致断裂键的变化与应力集中增强，这成为强度下降的根本原因(图4)。进一步地，研究人员将原子结构信息引入二维材料的强度准则中，基于远场载荷与残余应力引起的局部拉伸与失效键的本征强度平衡原则，建立了二维材料的统一强度理论。通过该理论，他们得出了原子键的本征强度，该强度仅由局部化学环境决定，与加载状态、断裂键、缺陷距离和缺陷类型无关(图5)。然而，缺陷引起的应力集中导致远场载荷向断裂键传递的实际拉伸存在放大效应。为此，他们定义了一个与加载状态无关的放大因子K，用于表征断裂键的实际拉伸。该强度准则揭示了缺陷距离减小、放大因子增加，从而导致强度降低的物理现象(图6)，为缺陷与材料性能之间复杂关系的理论研究提供了新的见解。

图1. (a) 具有成对缺陷的二维材料示意图。(b) 加载示意图。

图2. 裂纹平行于孔洞的断裂键和初始断裂强度。(a, c) 石墨烯，(b, d) 氮化硼。

图3. 成对缺陷(裂纹平行于孔洞)和单一缺陷的初始断裂强度。(a) 石墨烯，(b) 氮化硼。