[发明专利]一种引入缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法

说明书

本发明一种引入缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法，基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算引入不同种类缺陷的石墨烯与金属团簇之间吸附能、键能、结构的变化，预测它们之间的润湿性。石墨烯引入的缺陷主要为点缺陷、掺杂Ni缺陷、吸附Ni缺陷。分别计算它们与金属Cu₁₃团簇或者Al₁₃团簇吸附后的吸附能、键能及结构变化，发现石墨烯缺陷的引入能提高石墨烯与金属之间的润湿性，尤其是掺杂Ni原子的石墨烯与金属之间的润湿性得到显著提高。本发明亦可根据引入缺陷的不同，或者引入缺陷对象的不同，对引入不同缺陷的对象与金属之间的润湿性进行有效预测分析。

技术领域

本发明涉及一种引入缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法，具体属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

随着汽车和航空航天领域的发展，尤其是在空间领域，电离辐射等恶劣环境中对金属基复合材料的比强度、比模量、耐蚀性、导电导热等性能要求更高，传统的陶瓷纤维和颗粒增强体已经不能满足对材料的要求。近几年因为石墨烯优异的机械和物理性能被认为是最理想的金属基复合材料增强体。

因为石墨烯本身的C原子很难与金属形成稳定的化学键，导致金属基石墨烯复合材料里添加的石墨烯很难与基体有较好的结合性，而对石墨烯进行改性被认为是有希望解决石墨烯与金属之间润湿性，制备高性能金属基复合材料的有效途径。石墨烯与金属之间润湿性的好坏决定了金属基石墨烯复合材料性能的高低，探寻简单有效的石墨烯改性提高其润湿性一直是研究的热点。目前大多集中在实验制备研究，还没有相关的预测方法。

对石墨烯引入缺陷改性润湿性是提高石墨烯与金属之间润湿性的有效途径。当前针对引入的缺陷对石墨烯润湿性改变的预测或评价还没有特定的方法，本申请就是建立一种快速有效的对引入缺陷改性后石墨烯润湿性的评价和预测方法。引入缺陷后石墨烯与金属的键能、键角及电子密度参数发生变化，导致与金属之间的润湿性改变，因此从微观角度分析改性对石墨烯润湿性的影响最直接，也最准确。

发明内容

为了解决引入的缺陷对石墨烯润湿性改变的预测或评价方法的缺失，本发明的目的在于提供一种引入不同缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法。

本发明一种引入缺陷的石墨烯与金属之间润湿性的预测方法基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算引入缺陷的石墨烯与金属团簇吸附后的吸附能及键能和结构的变化，预测不同缺陷的石墨烯与金属的润湿性，具体内容为：

一、 计算过程

先构建含有不同缺陷类型的石墨烯模型和金属Al₁₃团簇与Cu₁₃团簇模型，分别将无缺陷石墨烯和含有不同缺陷的石墨烯与金属团簇结构组合在一起，然后进行结构优化，获得最稳定的结构，并进行吸附能、键能、结构计算。

所述的缺陷包括空位缺陷，掺杂Ni缺陷，吸附Ni缺陷。

所有计算结果分析要与引入缺陷后石墨烯与金属之间的实际润湿性效果作对比验证，最后确定引入缺陷后对石墨烯与金属之间的润湿性的影响，为高性能金属基石墨烯复合材料的制备和改性提供预测方法，同时确保计算方法的可靠性。

二、模型构建

无缺陷石墨烯结构、引入缺陷的石墨烯结构和金属Al₁₃团簇或者Cu₁₃团簇结构的模型构建方法：

(1)根据石墨烯是碳原子以SP²杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，其平面结构参数为：每个C原子与周围相连的3个C原子之间键长a₁=a₂=a₃=0.42nm，三个键的夹角β₁=β₂=β₃=120°，利用CASTEP计算模块建立具有平面周期性的二维结构，建立7×7的石墨烯超晶胞模型。