使用有限元方法（AFEM）研究尺寸和原子缺陷对单层和双层石墨烯纳米片屈曲的影响

《Scientific Reports》：Effects of size and atomic defects on the buckling of single-layer and double-layer graphene nanoplates using AFEM

　　

摘要

本研究探讨了不同随机分布的单个原子空位缺陷对单层和双层石墨烯纳米片屈曲行为的影响。通过参数分析评估了纳米片尺寸、长宽比、缺陷浓度、层数以及边界条件对临界屈曲载荷（\({P}_{cr}\)）的影响。为准确模拟石墨烯的离散特性，采用空间框架方法对纳米片进行建模：碳原子间的共价键被表示为梁单元，层间范德华力则通过线性弹性弹簧来模拟。原子位置由MATLAB生成并导入ANSYS软件中，相邻原子通过原子间能量与弹性梁能量之间的等效映射进行连接。在定义的临界距离范围内，原子之间添加弹簧以模拟长程层间相互作用。通过求解具有线性弹性行为的梁单元和弹簧单元的特征值问题，进行了线性有限元屈曲分析。通过将模拟结果与文献中的数据进行比较，验证了模型的准确性。研究结果表明，空位缺陷显著降低了临界屈曲载荷\({P}_{cr}\)——在10%的缺陷浓度下，该载荷可降低多达40%。此外，针对每种缺陷浓度，研究了三种不同的缺陷分布方式，以探讨它们对屈曲抗力的空间影响。