机械|二维碳化钛Tin+1Cn（MXenes）力学性能的分子动力学研究( 三 ) 动力学

对于最薄的Ti2C MXene ，键断裂从样品最外层区域的最高局部应力点开始，沿着移动的原子层向中心更深地传播。材料的开裂伴随着靠近增长间隙的Ti2C板的起皱和折叠。
样品在其右侧边缘完全撕裂后，由于z方向的高表面能和自由边界条件，它继续折叠和卷起。然而，在模拟结束时为Ti2C样品计算的径向分布函数(RDF)表明，原子在皱折的薄片内局部保留了它们的Ti2C结构，就像在卷起的石墨烯薄片中一样。图5显示了模拟Ti2C样品在几个应变值下的快照。

.
图5. 2D Ti2C碳化物在不同应变下的原子构型快照：(a) 0.025；(b) 0.05；(c)0.065；(d) 0.08 。
Ti3C2样品的行为与较薄的Ti2C相似，但在拉伸应变下断裂期间表现出较小的缠绕趋势，这可能是由于其厚度，即五个原子层与Ti2C中的三个原子层相比。如图6所示，只有沿裂纹的边缘折叠，而样品的主体在很大程度上保留了初始片材形状。
.

图6. Ti3C2 2D碳化物在不同应变下的原子构型快照：(a) 0.04；(b) 0.06；(c)0.075；(d) 0.1 。
与Ti2C和 Ti3C2形成鲜明对比的是， Ti4C3 MXene中的裂纹首先出现在板材的中央部分。在较高的应力下，这些裂纹的尺寸会增大，导致样品完全断裂，并形成多个Ti4C3碎片（图7）。值得一提的是， Ti4AlC3 MAX相或Ti4C3 MXene尚未通过实验生产。
.

图7. Ti4C3 2D碳化物在不同应变下的原子构型快照：(a) 0.025；(b) 0.035；(c)0.06；(d) 0.1 。
化，在应变-应力模拟结束时计算了二维径向分布函数(RDF)（图8）。

?
.
图8.拉伸变形下2DTin+1Cn样品在断裂后的径向分布函数（左图）和相应的原子构型（右图）：（a）、（d）Ti2C；(b)、(e) Ti3C2；(c)、(f) Ti4C3 。
从图中可以看出，所有样品的原子构型都保留了与局部MXene结构相关的短程有序。
为了验证获得的结果，对所有三种Tin+1Cn进行了不同应变率下的应变-应力模拟。在这些模拟中使用了ps-1 ps-1和 ps-1的三个应变率值。这些模拟的结果如图9所示。正如预期的那样，在不同应变率下获得的所有应变-应力曲线都具有弹性变形的线性区域，该区域的斜率与应变率无关。
图9. 2D Tin+1Cn样品在不同应变率下的应变-应力曲线：(a) Ti2C；(b) Ti3C2；(c) Ti4C3 。虚线表示线性应变-应力关系的区域。垂直箭头显示每条曲线的屈服点。
在所有的Tin+1Cn模拟中都观察到随着应变速率的增加屈服点向更大的应变值移动。这种现象被称为应变率效应，已经在金属中通过实验观察到，并且在文献中已经讨论了几种理论解释。
4 。结论
我们使用大规模经典分子动力学模拟研究了二维碳化钛(MXenes)在拉伸载荷下的机械性能。计算出的应变-应力曲线在小应变处具有线性区域（通过线性拟合从这些应变-应力曲线的初始区域估计的杨氏模量与先前公布的DFT获得的数据接近。这些结果在不同的应变率下重现，并显示为对ps?1–0.001 ps?1范围内的应变率不敏感。拉伸载荷下2D Tin+1Cn的机械性能和原子结构的演变取决于MXenes中原子层数n 。这可能表明不同的机制具有不同n（层厚）的Tin+1Cn的机械失效的影响。最薄的Ti2C碳化物获得了最高的杨氏模量。
一旦样品中出现自由边界边缘，由于真空中的高表面能， MXene就开始卷到自身上。然而，在Ti4C3样品中，在断裂过程中形成的较小碎片在很大程度上保留了其原始的平板状外观，因为表面张力不足以克服所考虑的最厚MXene的高刚度。计算的RDF表明，总体而言，断裂后所有样品的局部Tin+1Cn结构保持完整。随着速率的增加，观察到屈服应力和临界应变略有增加，这表明Tin+1Cn MXenes可能具有金属典型的缺陷形成和塑性变形机制。
所检测的MXenes几乎比杨氏模量的原子级薄石墨烯弱两倍。同时，与具有类似结构的另一种二维晶体MoS2相比， Ti2C获得的弹性常数几乎高出两倍。因此，作为具有高机械性能要求的纳米器件的潜在材料或作为复合材料的增强材料， MXenes可以成为石墨烯以外的其他二维材料的首选。
尽管计算出的杨氏模量与先前通过DFT获得的模量接近，但在缺乏实验数据的情况下，我们不能声称经典MD可以正确再现其他机械性能，例如屈服应力和相关应变。然而，除了与DFT数据的良好一致性之外，我们的模拟还重现了在金属和石墨烯实验中也观察到的应变率效应。总的来说，我们得出结论，采用的经典MD方法正确描述了二维碳化钛的机械行为，并可用于进一步研究其他裸露和表面封端的MXenes的结构和机械性能。该领域的进一步努力应侧重于创建和参数化可靠的力场（ReaxFF或类似），该力场可用于不同MXene的经典MD模拟。