五石墨烯在不同载荷条件下的变形和断裂机制尚不清楚，也没有深入研究。因此，利用分子动力学模拟的独立纳米压痕技术，研究了五石墨烯的力学和过渡/破坏变形特性。考虑球形和圆柱形压头尺寸、加载速率和温度的影响，对五石墨烯在球形和圆柱形压头下的压痕行为进行了参数化比较和分析。结果表明，在球形和圆柱形压痕下，五石墨烯表现出不同寻常的塑性变形特征，这与之前在单轴拉伸和剪切载荷下观察到的特征一致。塑性变形源于在大压痕深度处发生的五边形到多边形的结构转变。五石墨烯在球形压头下的破坏力明显低于圆柱形压头下的破坏力;这是由于球形压头的相互作用面积小，应力集中程度高。我们还确定了压痕参数，以准确预测使用球形或圆柱形压痕的五石墨烯的力学参数，以及这些参数如何影响纳米压痕结果。研究发现，在球形压头和圆柱压头下，五石墨烯的杨氏模量对加载速率不敏感，但总体上随着温度的升高而降低。

 
图1. 五石墨烯原子结构示意图及压痕MD模拟模型。 2 × 2的五石墨烯超晶胞的(a)侧视图和(b)俯视图;独立的五石墨烯(c)球形和(d)圆柱形压痕。

 
图2. 石墨烯在(a)球形压痕和(b)圆柱形压痕下的力-压痕深度曲线。

 
图3. 五石墨烯在(a)球形和(b)圆柱压痕下的力-压痕深度曲线。

 
图4. 球形压痕下五石墨烯的断裂扩展。(a) δ= 0 nm (b) δ= 4.7 nm (c) δ= 11.1 nm (d) δ= 15.4 nm。顶部和中间行分别代表五石墨烯压痕的侧面和顶部视图，底部行显示靠近压痕的局部放大原子构型。

 
图5. 五石墨烯在圆柱压痕下的失效演化。(a) δ= 0 nm (b) δ= 9.97 nm (c) δ= 14.98 nm (d) δ=21.01 nm。顶部和中间行分别与五石墨烯压痕的侧面和顶部视图相关，底部行显示靠近压痕或边缘的局部放大原子构型。

 
图6. 不同压痕深度下(a)球形压痕和(b)圆柱形压痕的五石墨烯的面内应力分布。

 
图7. 不同压痕参数对五石墨烯杨氏模量的影响。(a)球形压痕下杨氏模量与a/R的关系，(b)圆柱形压痕下杨氏模量与L/R的关系，(c) 固定a/R，球形压痕下杨氏模量与a的关系，(d) L和R固定，圆柱形压痕下杨氏模量与W/L的关系，(e)杨氏模量与加载速率的关系，(f)杨氏模量与温度的关系。

      相关研究成果由江苏大学土木工程与力学学院Tongwei Han等人于2023年发表在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

转自《石墨烯研究》公众号