通过分子动力学模拟与机械拉伸测试探究玻璃碳的分子及体相力学性质
材料科学
2023-12-06 v1 介观与纳米尺度物理
摘要
随着玻璃碳（GC）在各种应用领域的使用日益受到关注，对其力学性质建立基本理解的需求变得尤为突出。此外，近期为通过聚合物前驱体热解合成 GC 提供启示的理论与建模工作，突出了在基础层面重新研究其力学性质的可能性。尽管存在关于其弹性模量实验测定的零星报道，但通过模拟在分子水平或体相材料层面获得的 GC 材料在拉伸和压缩下的应力-应变行为的研究仍然缺失。本研究填补了分子层面的空白，使用分子动力学（MD）模拟研究了 GC 的力学性质，该模拟采用基于键序的反应力场公式来建模原子级键的形成与断裂。用于本模拟的分子模型具有由 5 元环、6 元环和 7 元环碳构成的独特三维笼状结构，以及类扁平石墨烯结构的石墨微区。该 GC 分子模型在 x、y 和 z 三个轴上分别在不同应变速率（0.4/ns、0.6/ns、1.25/ns 和 2.5/ns）和不同温度（300 - 800 K）下进行了加载。模拟表明，GC 分子在拉伸和压缩下具有截然不同的应力-应变曲线。在拉伸下，MD 建模预测单个 GC 分子的平均弹性模量为 5.71 GPa，且对应变速率和温度存在一定依赖性；而在压缩下，弹性模量同样被发现依赖于应变速率以及温度，预测其平均值为 35 GPa。
引用
@article{arxiv.2312.02388,
title = {Insights to Molecular and Bulk Mechanical Properties of Glassy Carbon Through Molecular Dynamics Simulation and Mechanical Tensile Testing},
author = {Manali Kuntea and Lucía Carballo Chanfóna and Surabhi Nimbalkara and James Bunnell and Emanuel Rodriguez Barajasa and Mario Enrique Vazquez and David Trejo-Rodriguez and Carter Faucher and Skelly Smitha and Sam Kassegne},
journal= {arXiv preprint arXiv:2312.02388},
year = {2023}
}