CMES本期精选文章“Investigation of Projectile Impact Behaviors of Graphene Aerogel Using Molecular Dynamics Simulations”（使用分子动力学模拟研究石墨烯气凝胶的弹丸撞击行为）。
文章详情
1. 前言
石墨烯气凝胶（GA）作为一种新型固体材料，由于其独特的力学性能，已经在工程应用中展现出巨大的潜力。在能量存储应用中，由于其高比表面积、高孔隙率、高比电容和高循环稳定性等特性，石墨烯气凝胶在电极制备方面被广泛应用。分子动力学（MD）模拟为深入研究二维材料的力学性能和行为提供了一种新的方法。
2. 方法和材料
在本研究中，使用大规模原子/分子并行模拟器进行了分子动力学模拟。利用OVITO软件可视化模拟结果，并在模拟过程中获取了快照。
2.1 原子间势能
在分子动力学模拟中，首要的是选择一个能准确复制系统力学性能的合理原子间势函数。本研究采用了自适应分子间反应经验键序势函数来描述石墨烯片上碳原子之间的相互作用。
2.2 建模过程
建立不同密度的全原子GA模型，用于研究弹丸撞击载荷作用下的力学响应。GA模型由750个随机分布的石墨烯片和750个夹杂颗粒组成，如图1a所示。模型的初始密度为3.9 kg/m³，与空气密度接近。引入夹杂物以控制多孔微结构，模拟冻脱法合成GA时水团簇的影响。
图1：全原子模型创建过程的示意图：(a) 初始模型，其中水夹杂物和石墨烯片随机分布；(b) 经过八个NPT-NVT循环后平衡的石墨烯-夹杂物结构；(c) 去除水夹杂物后密度为546 kg/m³的GA模型；(d) 模拟过程中压力p、温度T随时间变化的函数
2.3 模拟细节
本研究中，使用纳米级金刚石弹丸撞击密度不同的GA。撞击区域定义为半径为 R = L/2 Å 的圆柱区域，而边界区域在冲击过程中保持不动，如图2所示。金刚石弹丸直径为 D = 2.6 nm，初速度在1-7 km/s之间变化。
图2：(a) MD模型的初始状态示意图；(b) GA模型的俯视图
3. 低密度材料的穿透方程: 当弹丸穿透低密度目标材料时，它需要克服静态和动态阻力。
4. 结果和讨论
4.1 弹丸撞击下的力学响应
图3描绘了使用三种不同密度的GA（分别为ρ = 275、436 和 546 kg/m³）进行穿透过程的Mises应力分布。弹丸的初始撞击速度为10 km/s。由于GA的固有多孔结构，弹丸的撞击只会影响GA结构的局部区域。
图3：GA模型的示意图，突出显示了在10 km/s撞击速度下，每个原子的Mises应力。
4.2 温度对弹丸撞击的影响
对于许多应用，比如在航空航天工程中，结构材料可能会遇到大幅度的温度变化。作为一种航空航天工程应用潜在的新材料，温度对弹丸撞击的影响便尤为受到关注。为了解决这个问题，将两种不同密度的GA（分别为436和546 kg/m³）在不同温度下进行了撞击模拟。弹丸的初始速度设定为6 km/s，与实验室观察结果一致。
图4：标准化的穿透深度与温度对比图：(a) GA；(b) 硅气凝胶
4.3 弹丸撞击的能量吸收
4.3.1 GA的动能
图5显示了不同密度的GA的总动能变化。在穿透过程中，碳-碳共价键会发生伸长和破裂。观察表明，密度更高的GA在动能吸收方面表现出明显的优势，这归因于在受影响区域内参与断裂的共价键数量更多。
图5：不同密度下GA的总动能与标准化穿透深度的变化。（弹丸的初始速度为12 km/s）
4.3.2 能量吸收密度
本研究对能量吸收密度（EAD）参数进行了研究，以更好地了解GA的能量吸收性能。EAD代表单位体积GA吸收的动能。
图6：表示EAD作为GA密度和撞击速度的函数的拟合曲面（GA密度从275到546 kg/m³变化，撞击速度从12到15 km/s变化）
4.3.3 能量吸收效率
在本小节中，引入了能量吸收效率的概念，以进一步评估GA在弹丸撞击过程中的能量吸收能力。能量吸收效率如图7所示，显示了在不同的弹丸初始速度下的情况。
图7：GA密度为546 kg/m³时，在不同撞击速度下（从12到40 km/s）的能量吸收效率。
5. 结论
在这项研究中，我们使用分子动力学模拟来研究石墨烯气凝胶在纳米弹丸撞击下的力学性能。AIREBO势函数中的REBO项在所有撞击模拟中对能量吸收贡献最大。此外，我们还研究了温度对石墨烯气凝胶的影响，并确定其影响微乎其微，从而凸显了石墨烯气凝胶在大幅温度变化区间内的力学稳定性。这项研究的结果表明了石墨烯气凝胶在能量吸收应用方面的巨大潜力。
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引用格式：
APA Style
Zhang, X., Xia, W., Wang, Y., Wang, L., Liu, X. (2024). Investigation of projectile impact behaviors of graphene aerogel using molecular dynamics simulations. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 139(3), 3047-3061. https://doi.org/10.32604/cmes.2023.046922
Vancouver Style
Zhang X, Xia W, Wang Y, Wang L, Liu X. Investigation of projectile impact behaviors of graphene aerogel using molecular dynamics simulations. Comput Model Eng Sci. 2024;139(3):3047-3061 https://doi.org/10.32604/cmes.2023.046922
IEEE Style
X. Zhang, W. Xia, Y. Wang, L. Wang, and X. Liu "Investigation of Projectile Impact Behaviors of Graphene Aerogel Using Molecular Dynamics Simulations," Comput. Model. Eng. Sci., vol. 139, no. 3, pp. 3047-3061. 2024. https://doi.org/10.32604/cmes.2023.046922
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