形状记忆石墨烯的超高比能量耗散机制与振动控制应用

这篇研究通过分子动力学模拟揭示了纳米结构三角形石墨烯（nano-architected triangular graphene）的形状记忆效应（SME）机制。研究发现，石墨烯的高杨氏模量（~1 TPa）、柔性特性与范德华力（van der Waals）相互作用协同作用，实现了42.5 J g?1的超高比能量耗散，是镍钛合金（NiTi）的25倍以上。该材料在可重复冲击吸收装置和振动控制领域具有重要应用潜力。

　　

摘要

研究团队通过分子动力学（MD）模拟发现，纳米结构三角形石墨烯的独特架构与范德华力相互作用可诱导形状记忆效应。其比能量耗散值达42.5 J g^?1，远超传统形状记忆合金NiTi（1.6 J g^?1）。这种效应源于石墨烯韧带（ligaments）的微屈曲和相变行为，为可重复能量吸收器件设计提供了新思路。

1 引言

形状记忆材料（SMEs）在航空航天、医疗器械等领域应用广泛，但现有材料如NiTi合金和聚氨酯的比能量耗散有限。本研究提出通过纳米结构设计，利用石墨烯的高杨氏模量（1 TPa）和范德华力协同作用，实现超高能量耗散。实验证实，碳升华法可合成类似蜂窝结构的石墨烯泡沫，其稳定性已通过密度泛函理论（DFT）验证。

2 结果与讨论

力学响应：在1 K下对单胞进行压缩模拟时，观察到5.6%应变处的韧带屈曲（应力平台）和16.5%应变时的多次应力骤降，对应相邻韧带间距缩小至3.5 ?（接近石墨层间距3.34 ?）。关闭范德华力后，应力平台消失，证实其关键作用。

相变机制：300 K下16×18单元模拟显示，局部相变从2%应变开始，22%应变完成，形成波浪边三角形相（wavy-edge triangular phase）。卸载后该相保留，比能量耗散达42.5 J g^?1（表1）。

温度响应：热力学分析表明，401 K时石墨烯层间结合能与动能平衡。加热至505 K时，材料恢复原始直边三角形相（straight-edge triangular phase），且相变温度随升温速率提高而升高。

3 结论

纳米结构三角形石墨烯通过架构设计与范德华力调控，实现了兼具高刚度（108 GPa）和超高能量耗散的形状记忆效应，为振动控制和冲击吸收器件提供了革命性材料解决方案。

4 模拟方法

采用LAMMPS软件进行MD模拟（应变率10⁷ s^?1），OVITO可视化。结合能计算显示AB堆叠石墨烯层间结合能为50.5 meV/原子，与DFT结果一致。升温模拟采用Nosé-Hoover热浴，加热速率2.5-100 K/ns。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献结论）