断裂论文#19 -石墨烯断裂力学性能的讨论

极高的导热性和导电性，阻挡了几乎所有的气体，像钻石一样坚硬，比其他任何东西都要坚固。极端属性的列表似乎永无止境。这篇论文

张俊华等，石墨烯薄片在拉伸下的单边缘预裂纹扩展速度，工程断裂力学182 (2017)337-355，

研究了石墨烯的断裂力学性能。一张扶手椅上的石墨烯可以拉伸15%，这对于晶体材料来说已经很多了，但与许多聚合物相比就不那么多了。另一方面，最终的负荷变得巨大，几乎100 GPa或更多。在这种情况下，至少可以说，断裂韧性是陶瓷的，只有几MPam^(1/2)是有问题的。显然，如果要使用高极限强度，就必须避免裂纹。几微米深的划痕就会使强度下降到几百兆帕。

来自西安建筑科技大学理学院工程力学系的华军、刘勤龙、侯燕、吴霞霞、张玉辉等课题组研究了含预裂纹的单原子层石墨烯片的快速裂纹扩展。他们能够使用分子动力学模拟来研究准静态过程的动力学。他们将结果与连续力学关系相结合，以找出裂纹扩展速率。从分子基元得到的断裂韧性与实验得到的断裂韧性吻合得很好，这一结果为我们提供了信心。结果表明，裂纹扩展速率随加载速率的增大和裂纹长度的减小而增大。这些趋势是预期的，也应该通过连续力学模拟得到，但不是首要原则，需要断裂准则。

另一个重大损失是无法直接观察断裂过程的细节。模拟结果表明，裂纹很好地运行在两排原子之间，没有发生分叉，也没有对有序晶格造成很大的扰动。断裂过程本身不会太令人兴奋，如果不是一些偶然的小混乱被困沿裂纹表面。这一事件似乎不是周期性发生的，但大约有十个原子遭受作者所说的异常失效。残留在裂纹表面的是键序增加的位错原子。所有脱位的原子都位于裂纹表面。孤立位错碳原子周围的畸变区很小。

一个有动机的问题是，耗散的能量是否与断裂前连接上下半平面的键断裂所需的能量具有相同的数量级。能不能通过强迫裂纹不沿对称平面像目前的研究那样增长而使其变大。在不了解技术可能性的情况下，我假设如果两块相互连接的石墨烯薄片旋转，使对称平面不重合，那么裂纹将被迫在其中一张薄片上选择一条不太舒服的路径。

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