[發(fā)明專利]一種二維異質(zhì)結(jié)材料的極限抗拉強度預(yù)測方法

在審

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• 申請日: 2021-12-17
• 公開（公告）號: CN114171141A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳波;何智漢;趙艷;張隆昆
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學(xué)俊

本發(fā)明涉及一種二維異質(zhì)結(jié)材料的極限抗拉強度預(yù)測方法。包括：從數(shù)據(jù)庫中選取構(gòu)建范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的單組分二維材料，基于密度泛函理論，對單組分二維材料的晶體結(jié)構(gòu)進行分析，將模型馳豫優(yōu)化至體系總能最低態(tài)；利用優(yōu)化后的單組分二維材料構(gòu)建范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)模型，根據(jù)兩種單組分二維材料的不同相對位置獲得多種堆垛結(jié)構(gòu)；對異質(zhì)結(jié)的不同堆垛結(jié)構(gòu)構(gòu)型進行體系總能計算，選取體系總能最低結(jié)構(gòu)；對非正交晶型的異質(zhì)結(jié)進行晶型轉(zhuǎn)換，獲得正交結(jié)構(gòu)模型；計算單軸應(yīng)變條件下體系的等效應(yīng)力；根據(jù)不同程度應(yīng)變獲得的數(shù)據(jù)處理后繪制單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線，預(yù)測其極限應(yīng)變性能。本發(fā)明能夠有效預(yù)測二維材料的極限拉伸或壓縮強度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及柔性材料設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二維異質(zhì)結(jié)材料的極限抗拉強度預(yù)測方法。

背景技術(shù)

隨著石墨烯和類石墨烯納米材料的發(fā)現(xiàn)，二維納米材料因具有較大的橫向面積，表現(xiàn)出了與三維材料不同尋常的物理，化學(xué)和光電性能，使其在新能源、光電和光催化應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出誘人前景。二維異質(zhì)結(jié)納米材料和其組成的單組分相比，可取長補短，協(xié)調(diào)發(fā)揮其各自的優(yōu)異性能，如由各向異性材料變?yōu)楦飨蛲圆牧?，儲鋰容量增加，光催化響?yīng)寬域化。目前，市場對新能源材料、光電子材料和光催化材料需求迫切，對于柔韌、便攜和可穿戴電子設(shè)備和的需求越來越大。利用理論計算方法預(yù)測材料的極限拉伸或壓縮性能對于材料的研發(fā)具有參考意義，可加快新型納米材料的研發(fā)進程。盡管實驗上已能實現(xiàn)納米材料的力學(xué)性能微納測試，但測試成本高，準確度低，而材料的抗拉強度理論預(yù)測方法鮮有詳細的論文或專利報道，本發(fā)明以期提供一種異質(zhì)結(jié)納米材料的力學(xué)性能預(yù)測方法，為納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能篩選提供參考。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種二維異質(zhì)結(jié)材料的極限抗拉強度預(yù)測方法，有效的預(yù)測二維范德華異質(zhì)結(jié)材料的極限拉伸強度，為篩選具有優(yōu)異形變性能的材料提供參考，有益于快速準確的獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能的材料。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種二維異質(zhì)結(jié)材料的極限抗拉強度預(yù)測方法，包括以下步驟：

步驟S1、通過文獻調(diào)研或計算機模擬預(yù)研，基于晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，篩選出可能進行二維異質(zhì)結(jié)組裝的單組分二維材料，進而基于密度泛函理論，對單組分二維材料的晶體結(jié)構(gòu)進行弛豫，將模型馳豫優(yōu)化至體系總能最低態(tài)，獲得平衡結(jié)構(gòu)，即優(yōu)化后的單組分二維材料；

步驟S2、利用優(yōu)化后的單組分二維材料構(gòu)建范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)模型，根據(jù)堆疊兩種單層的不同相對位置，構(gòu)建出六種典型相對位置，建立出相應(yīng)的6種堆垛結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)模型；

步驟S3、對步驟S2中的6種堆垛結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)模型，分別進行體系總能計算，篩選出體系總能最低結(jié)構(gòu)；

步驟S4、對非正交晶型的異質(zhì)結(jié)模型進行晶型轉(zhuǎn)換，獲得正交結(jié)構(gòu)模型；

步驟S5、計算在不同應(yīng)變幅度值下的異質(zhì)結(jié)模型的單軸應(yīng)變時體系的等效應(yīng)力；

步驟S6、對獲得的數(shù)據(jù)進行繪圖，獲得單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線，預(yù)測其極限拉伸應(yīng)變性能。

在本發(fā)明一實施例中，所述步驟S1、S3、S5中的計算基于密度泛函理論的第一性原理方法，運用VASP軟件包獲得不同應(yīng)變幅度下對應(yīng)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明一實施例中，異質(zhì)結(jié)模型的構(gòu)建是通過固定其中一個單組分二維材料，旋轉(zhuǎn)另一單組分二維材料，從而獲得不同堆垛結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)模型。

在本發(fā)明一實施例中，所述非正交晶型的異質(zhì)結(jié)模型經(jīng)過4×4×1超胞，以便于選取其正交晶胞結(jié)構(gòu)；在非正交晶型的異質(zhì)結(jié)模型的周期性結(jié)構(gòu)中標記截取正交晶胞所需的原子，刪除超胞結(jié)構(gòu)中的多余原子，獲得正交晶胞中的原子坐標；根據(jù)截取正交晶胞時的原子間距離作為晶格參數(shù)，在Z方向上設(shè)置一定厚度的真空層，防止周期性結(jié)構(gòu)對異質(zhì)結(jié)模型產(chǎn)生影響。

在本發(fā)明一實施例中，運用VASP軟件包進行形變模擬計算，指定一方向上，如Z方向，施加一系列不同的應(yīng)變幅度，對另外兩個方向（X和Y方向）進行結(jié)構(gòu)弛豫。