CMS：单层氧化石墨烯高速冲击的分子动力学研究

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      2D材料由于其在极端载荷条件下(如冲击)的独特性能，最近引起了极大的关注。石墨烯氧化物(GO)是一种2D非晶材料，由于其优异的力学性能和低加工成本，被广泛用作纳米复合材料的构建模块。迄今为止，已有广泛的研究来揭示GO化学相关的力学性能。然而，单层GO的高速冲击特性却很少受到关注。因此，加拿大多伦多大学Mohammad Reza Talebi Bidhendi和Kamran Behdinan使用ReaxFF分子动力学模拟研究了上述问题。研究者评估了不同氧化程度的单层GO在纳米弹丸冲击下的抗穿透性能。发现随着氧化水平的增加，完成穿孔的速度降低；对于固定的氧化水平，抗穿透性受羟基与环氧化物的比率影响；对于相同的氧化水平，氧官能团的空间分布改变单层的抗穿孔性。本研究可能为表面涂层和新型保护屏障的设计提供帮助，其中GO可被用作纳米增强填料。

      研究者使用MD进行弹道冲击模拟，如图1所示。GO的边缘固定，以消除由于冲击引起的刚性运动。投射体的中心位于目标中心上方d = 2~3.5 nm处，以避免初始投射体与单层的相互作用。为了避免投射体的大变形和解体，投射体设置为刚体，具有朝向目标的初始速度(Vi)。
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图1. 单层GO与刚体C180富勒烯投射体的分子动力学模型

      具有氧化含量R= 5%，25%，50%的单层GO如图2所示，对于所有样品，环氧基(O)与羟基(OH)的比例为1。C、O和H分别表示碳、氧和氢原子。
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图2. 具有不同氧化含量(R)的单层GO: (a) R = 5%，(b) R = 25%，(c) R = 50%。

      首先，对于图2所示的每个单层GO，获得发生完全穿孔(CP)时的初始射弹速度。如图3a所示，在这里，引起CP时的初始射弹速度随着氧化水平的增加而减少。此外，还对穿孔阻力进行了比较。可以看出，对于固定的射弹初始速度，氧化含量改变了诱发的射弹-目标相互作用力(图2b)。
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图3. (a)引起CP的初始射弹速度；(b)对于相同的初始射弹速度(Vi=6 km/s)，射弹-目标相互作用力；(c) 单层GO的完全穿孔(CP)

        如图3c所示，诱导力可导致冲击区周围不同程度的局部损伤(裂纹开始或完全穿孔)。图4a–c描绘了由于撞击而产生的射弹动能变化。基于穿孔过程中的能量守恒，不同氧化程度的GO单分子层吸收的能量等于弹丸的动能损失。观察到，与其他单层相比，具有较高氧化含量(R = 50%)的GO单层在其CP速度开始时吸收的能量较少(图4d)。这是因为氧官能团可以被视为石墨烯表面上的缺陷。由于这种缺陷，面内强的sp2碳键被转化成弱的面外杂化sp3键。这导致更高的变形能量，因此，在结合断裂之前，GO吸收动能的能力降低。上述结果表明，氧化含量可被视为在氧化石墨烯单层的传统动力学中起重要作用。研究结果对以氧化石墨烯为纳米增强填料的表面涂层和新型防护屏障的设计也有一定的参考价值。
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图4. 射弹撞击GO单层的动能(KE): (a) R = 5 %; (b) R = 25 %; (c) R = 50 %; (d) 由于射弹CP速度 (Vcp)而被GO单层吸收的能量

      具有R = 50%和不同羟基与环氧基比率的GO单层模型如图5所示，C、O和H分别表示碳、氧和氢原子。
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图5. 具有R = 50%和不同羟基与环氧基比率的GO单层模型

      R = 50%和不同羟基与环氧基比率的GO单层模型的力学性能和CP速度如图6所示。可以看出，随着羟基覆盖率的增加，GO单层变得更硬，强度更高(图6a–b)。此外，富含羟基的GO具有更高的刚度和强度，这与对于相同的氧化水平，与富含环氧树脂的样品相比，富含羟基的样品拥有更低的变形能有关；因此，就抗穿透性而言，富含羟基的GO优于具有相同氧化水平的其他样品(CP速度的起点更高)。上述结果可以为如何通过在石墨烯的基面上引入吸附原子/缺陷(OH和O)来调节其在高速冲击下的性能提供帮助。
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图6. 图5中GO单层的单轴拉伸试验和高速冲击试验的MD结果: (a)沿x方向的应力-应变关系，(b)沿y方向的应力-应变关系；(c) 初始射弹速度，由于射弹-目标的相互作用，该初始射弹速度导致CP和相应的由GO单层吸收的能量。

      对于相同的氧化水平(R = 25%)，具有不同的氧官能团空间分布的GO单层如图7所示。
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图7. 具有相同的氧化水平(R = 25%)，不同的氧官能团空间分布的GO单层

      通过进行类似的拉伸和冲击试验(见图8a–c ),可以获得力学性能和CP穿孔速度。据观察，虽然力学性能略有改变，但由于空间分布效应，抗穿透性显著改变。此外，如图8d所示，当含氧官能团聚集在单层中心周围时(图7中的构型2)，虽然对于相同的6 km/s的初始射弹速度，相互作用力较低，但是与其他空间分布相比，诱发的损伤更严重。归因于杂化sp3键由于氧官能团的存在而在单层中心附近形成。与纯sp2碳键相比，这种键更弱；因此，当单层的氧化区域被射弹撞击时，抗穿透性降低。因此，官能团的空间分布是在冲击载荷下对GO单层进行设计改进的另一个调节因素。
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图8. 图7中GO单层的单轴拉伸和高速冲击的MD结果: (a)  沿x方向的应力-应变关系；(b) 沿y方向的应力-应变关系；(c)初始射弹速度；(d) 相同初始射弹速度(Vi=6 km/s)的射弹-目标相互作用力。

      相关研究成果以“High-velocity transverse impact of monolayer graphene oxide by a molecular dynamics study”为题发表在Computational Materials Science上(Volume 216, 2023, 111881)，论文第一作者为Mohammad Reza Talebi Bidhendi，通讯作者为Mohammad Reza Talebi Bidhendi和Kamran Behdinan。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2022.111881