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近日，国际知名期刊《International Journal of Solids and Structures》发表了西安交通大学在二维材料中强度各向异性根源方面的研究。文章系统地研究了二维材料中缺陷对强度各向异性的影响，并提出了基于键断裂的强度理论来解释这一现象。论文标题为“Decoding the origins of strength anisotropy in two-dimensional materials ”。
该研究主要聚焦在具有扶手椅裂纹、之字形裂纹和空洞等缺陷的石墨烯和h-BN上，探索了这些缺陷如何影响材料的单轴拉伸强度及其各向异性。
文章通过分子动力学模拟研究了石墨烯和六方氮化硼（h-BN）等二维材料在存在不同类型缺陷时的力学失效行为。模拟结果表明，缺陷不仅降低了二维材料的强度，还放大了其在不同方向上的强度各向异性。
对于石墨烯和h-BN中的晶界（GB）缺陷，研究人员指出主要断裂键的类型随加载方向的变化而变化。在低加载角度下，某些特定键的断裂占主导，而随着加载角度的增加，其他类型的键断裂变得更加普遍。这种现象是由残余应力和外部载荷共同引起的键拉伸所导致的。此外，研究团队还发现具有较大缺陷密度的GB（即扶手椅GB的较大GB角和之字形GB的较小GB角）具有较低的残余应力，因此键断裂主要由最大拉伸方向决定。
在此基础上，研究者们进一步提出了一个基于键断裂的强度理论。该理论通过考虑由外部载荷和残余应力共同引起的键拉伸应力与键强度之间的平衡，可以定量描述不同类型缺陷（如晶界、空洞和裂纹）在石墨烯和h-BN中的强度-方向关系。
通过模拟和理论分析，研究人员发现缺陷会显著增加二维材料的强度各向异性，且不同类型的缺陷会导致复杂的强度-方向关系；揭示了这种各向异性主要源于不同类型缺陷在不同加载方向下导致的断裂键的差异；提出的基于键断裂的强度理论成功地解释了这一现象，并为通过缺陷工程来调控材料性能提供了理论指导。 该研究系统地探索了二维材料中缺陷对强度各向异性的影响，并提出了一个基于键断裂的强度理论来解释这一现象。这一发现不仅为理解二维材料的力学行为提供了新的视角，也为通过缺陷工程来调控材料性能提供了有力的理论指导。未来，这一研究成果有望在二维材料的实际应用中发挥重要作用，推动低维材料在高性能设备和复合材料领域的更广泛应用。 Guoqiang Zhang, Siyu Liu, Huasong Qin, Yilun Liu,Decoding the origins of strength anisotropy in two-dimensional materials,International Journal of Solids and Structures,Volume 294,2024,112762, https:///10.1016/j.ijsolstr.2024.112762. |
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