摘要
石墨烯及石墨烯复合材料是材料物理、电化学、力学等领域的研究热点，在新能源汽车、柔性屏幕、强化涂料等领域有着重要的应用价值，具备可观的经济前景。石墨烯的二维结构使其无法作为结构材料使用，从而限制了其工程应用，因而目前大多研究聚焦于制备出具备先进功能的三维复合材料以满足工程需求。认知石墨烯复合材料的力学性质，对进一步设计、推广并应用石墨烯复合材料，具有重要的科学意义和工程应用价值。 本文首先综述了石墨烯及其复合材料在力学性能上的研究背景，包括制备方法、表征手段、力学特征以及工业应用。简述了研究使用到的理论方法和模拟计算方法。介绍了分子动力学计算模拟的基本原理和实现步骤，包括力学方程、势函数、积分算法、系综理论、建立分子模型等相关理论基础和方法，同时介绍了分子动力学模拟程序LAMMPS的实现方法，并简述了使用OVITO软件进行位错和变形机理分析的方法。 建立石墨烯-铜纳米层状复合材料的分子动力学模型，设计理论加载条件。结合层状复合材料力学理论与广义函数分析方法，研究了晶粒尺寸、石墨烯手性以及重复层间距对石墨烯-铜纳米层状复合材料在拉伸和压缩两种加载下的泊松比影响。基于分子动力学模拟的机理，建立复合材料泊松比的理论力学模型，对比验证分子动力学结果。实时观察了石墨烯-铜纳米层状复合材料的弹性阶段变形和断裂失效过程，并初步分析了复合材料泊松比的理论公式。 通过分子动力学和理论分析研究了石墨烯-铜纳米层状复合材料在拉伸和压缩下的泊松比。发现石墨烯-铜纳米层状复合材料的泊松比可以通过改变其重复层间距而不改变拓扑结构来调整。组成纳米铜的晶粒尺寸对泊松比的影响可以忽略不计。由于石墨烯层中压应力的手性差异，泊松比存在显著的面内各向异性和拉压不对称性。提出了一种考虑手性和重复层间距的力学模型，可以准确预测石墨烯-铜纳米层状复合材料的泊松比。对于稳定的石墨烯-铜纳米层状复合材料，重复层间距应大于2nm，其泊松比可调范围为0.1-0.35。 综上，本文通过将微观机制与宏观力学模型结合，模拟结果极大丰富了石墨烯-铜纳米层状复合材料在拉压加载下的泊松比研究。解释了该复合材料拉压不对称的微观机理，同时又为不改变复合材料拓扑结构而实现可调泊松比提供了理论支持，也证实了石墨烯复合材料在工程应用上具有独特的潜质。为进一步设计石墨烯复合材料和其他相似界面结构的材料提供了参考。
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