仿真显示石墨烯可以帮助优化金属玻璃

最近发表在《Materials Chemistry and Physics》杂志上的一项研究发现，石墨烯可以提高金属玻璃的质量。金属玻璃需要具有高可塑性，可以通过与石墨烯纳米复合材料分层来实现。

研究：石墨烯对金属玻璃机械性能的影响：从分子动力学模拟中洞察。图片来源：BONNINSTUDIO/Shutterstock.com

金属玻璃是有吸引力的元素

金属玻璃（MG）由于其出色的机械和物理效率，预计将成为许多技术领域的有吸引力的候选者，包括航空航天器，生物医学，电气和大多数制造领域。

然而，由于其拉伸塑性差，MG的工程应用迄今为止确实受到严重阻碍。这个问题主要源于这样一个事实，即剪切带（SB）的快速传输是在环境温度下通过定位剪切变换区（STZ）而产生的。

以前提高MG可塑性的努力

因此，人们做出了巨大的努力来提高MG的可塑性。提高其塑性的传统方法是防止形成区域化的SB并开始产生均匀的塑性变形。为了防止MG中存在单个SB，一种技术是将MG的外部尺寸减小到100nm，而另一种技术是通过使用第二相来创建MG的异质性。

石墨烯，一种优秀的纳米复合材料

石墨烯已被开发为具有卓越强度和弹性模量的优良材料，多年来石墨烯增强金属复合材料越来越受欢迎。即将到来的石墨烯有可能加强和硬化金属框架。

然而，将石墨烯收集到簇中而不是保留其2D形态的过程会降低合成石墨烯的质量。

纳米层石墨烯与金属玻璃

系统研究了纳米层石墨烯/Cu复合材料在单轴作用下的物理行为，结果表明，石墨烯材料和手性对复合材料的杨氏拉伸强度和模量有较大影响。

与商业纯化的Al相比，石墨烯-Al纳米材料具有更高的拉伸强度和硬度。初步研究表明，掺入石墨烯会显著影响金属材料的机械性能。

到目前为止，对金属用石墨烯强化和硬化机理的研究主要集中在晶体材料上，但对石墨烯对MG力学特性的影响的研究还缺乏。

研究过程

首先，研究了石墨烯及其根深蒂固的位置对MGGNLs机械特性的影响。

拉伸应力与应变曲线通常用于在外部因素下对金属的机械特性进行分类，例如拉伸弹性模量，屈服强度和塑性等。MGGNL的弹性曲线比本体MG的弹性曲线大得多，并且弹性塑性状态中的所有轮廓都线性增加，因为即使应变也趋于增加。

研究结果

由于石墨烯碳分子之间的键能较高，石墨烯的加入大大增加了本体MG的弹性模量。在其他说法中，将石墨烯掺入MG的适当位置将大大提高MG的塑性变形能力。

在进行冯·米塞斯应变分层时，值得一提的是，石墨烯和MG相具有不同的系数范围。石墨烯是一种高强度物质，耐大塑性变形。

研究结果进一步表明，石墨烯嵌入位置影响MG/石墨烯纳米层合板（MGGNLs）的机械特性和弯曲行为。

本研究的优势

MGGNL的塑性变形模式从几个剪切带（SB）的相互作用转变为先前的均匀变形，最后随着石墨烯植入距离的增加而转变为占主导地位的SB传播。研究结果表明，添加石墨烯并调整其插入位置可以提供高强度和高可塑性的MGGNLs。

限度

当石墨烯浓度增加时，复合材料的特性得到显着改善，塑性变形过程也发生了变化。

塑性变形是固体材料在外部压力下发生变形或形状不可逆变化的能力。

物质承受塑性和弹性变形的能力是其韧性。承受冲击和振动的能力是结构和机器零件非常理想的属性。

参考

Zhao, T., et al. (2022). Effect of graphene on the mechanical properties of metallic glasses: Insight from molecular dynamics simulation. Materials Chemistry and Physics. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0254058422000013?via%3Dihub