分子动力学模拟揭示石墨烯平行裂纹的断裂模式效应

石墨烯在应力下的行为对开发先进纳米材料至关重要，研究人员正日益探索缺陷工程——特别是引入平行裂纹——以控制这些材料的断裂方式。釜庆国立大学的金秀英、韩国科学技术院洪正旭以及亚历山大·F·丰塞卡等人，深入研究了原子间势能选择如何影响石墨烯断裂预测。该研究通过分子动力学模拟，直接对比了两种常用势能模型——AIREBO与ReaxFF——在拉伸载荷下对含平行裂纹石墨烯的预测结果。研究发现不同势能模型对材料响应的预测存在显著差异，这表明在模拟缺陷工程化石墨烯断裂时，必须谨慎选择势能模型以确保模拟结果的可靠性。

实验几何结构为预先存在平行裂纹的石墨烯片，裂纹间距Wgap固定，沿扶手椅型和锯齿型两个方向施加拉伸载荷进行模拟。通过系统性改变原子间势能，研究旨在验证断裂预测的稳健性，并筛选出能产生一致可靠结果的势能模型。本研究对石墨烯常用原子间势能的断裂响应进行了比较分析。结果表明，不同势能选择会导致断裂强度与裂纹扩展机制出现显著差异，凸显原子尺度断裂模拟中精确选择势能的必要性。本研究揭示了现有势能的局限性，为开发更精确、更具普适性的石墨烯断裂建模势能提供了指导方向。

石墨烯断裂、延展性与裂纹合体

本研究通过ReaxFF和AIREBO势函数的分子动力学模拟，探究石墨烯的断裂韧性与延展性。研究重点在于解析裂纹扩展、裂纹合并及缺陷对石墨烯力学行为的影响。关键发现表明：在特定条件下（尤其当裂纹以异常方式合并时），石墨烯会展现出增强的延展性，这挑战了其纯脆性材料的传统认知。研究对比了ReaxFF与AIREBO势能模拟石墨烯断裂的表现，揭示了二者行为特征与精度的差异。空位等缺陷的存在显著影响断裂过程，其作为应力集中点改变裂纹扩展路径。研究通过LAMMPS软件包进行分子动力学模拟，并采用von Mises应力准则分析应力分布，深入探究石墨烯的断裂韧性及其抵抗裂纹扩展的能力。

石墨烯裂纹间距影响断裂行为

科学家量化了原子间势能选择如何影响含平行裂纹石墨烯的断裂预测。研究团队采用AIREBO势能进行分子动力学模拟，探究预先存在裂纹的石墨烯片在扶手椅型和锯齿型方向拉伸载荷作用下的行为。实验表明，应力应变响应、杨氏模量、有效I型应力强度因子及能量吸收均随裂纹间距Wgap显著变化。研究通过对零应变至0.01应变区间内的应力应变曲线进行线性回归，精确测得杨氏模量。

结果表明，基于AIREBO的原始石墨烯杨氏模量约为：扶手椅结构0.91 TPa，锯齿结构0.92 TPa。引入平行裂纹导致有效模量显著降低：合并裂纹（Wgap=0）时降至0.72、0.74 TPa，当分离距离增大时两种取向均部分恢复至0.80、0.81 TPa。随着间隙宽度增加，有效断裂韧性Keff IC也随之提升：扶手椅型从约2.7 MPa√m增至3.8 MPa√m，锯齿型从2.1 MPa√m增至3.0 MPa√m。数据表明：扶手椅型裂纹的峰值应力从Wgap=0时的约30GPa升至最大间距时的40GPa，峰值应变则从约0.04增至0.05。

相比之下，锯齿型配置的峰值应力较低（约23-31GPa），且出现在较小的应变区间（约0.03-0.04）。此外，团队通过计算应力-应变曲线在0.08应变下的曲线下面积来评估能量吸收，发现其强烈依赖于Wgap和潜在选择。这项突破性研究揭示了断裂序列的本质：扶手椅裂纹呈现外裂纹近乎同时失稳的特征，而锯齿状裂纹则展现出分阶段断裂演化过程，伴随裂纹的顺序传播。这些发现强调在缺陷工程化断裂模拟中，原子间势能的精确选择至关重要——其选择将显著影响延展性与能量吸收的预测结果。该研究为更精确建模石墨烯断裂行为奠定基础，并为设计具有定制化力学性能的材料提供指导。

势能选择影响石墨烯断裂行为

本研究采用AIREBO原子间势能重新考察了含平行裂纹的氢钝化石墨烯断裂行为。通过与先前使用ReaxFF势能的模拟结果直接对比，研究人员量化了势能选择对断裂特征预测的显著影响。研究表明，相较于ReaxFF，AIREBO预测的峰值应力更低且软化点更早出现，最终影响峰后变形与能量吸收。结果揭示无论采用何种势能模型，裂纹间距增大均呈现一致的强化趋势，但宏观能量吸收、峰值应力及延展性均对所选原子间势能模型高度敏感。

这强调了在原子尺度建模缺陷工程化石墨烯断裂时，需谨慎选择并解读势能的重要性。作者承认缺乏实验验证的局限性，并提醒结果仅反映势能依赖性趋势而非确定性材料行为。未来研究可通过与实验断裂数据直接对比来验证模拟结果，深化对相关现象的理解。研究人员指出，观察到的“杠杆式”断裂结构值得实验验证，因其可能保持电导率并适用于传感器领域。本研究不仅拓展了通过缺陷工程调控石墨烯断裂响应的认知，更强调了计算方法在实现可靠预测中的关键作用。

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Effect of Interatomic Potential Choice on Fracture Modes of Graphene with Parallel Cracks

ArXiv: https://arxiv.org/abs/2601.08346