In current work, we developed mechanical properties of PVC (polyvinyl chloride)/graphene nanocomposite theoretically and experimentally. In our theoretical model, a multi-scale finite element model was used to predict Young’s modulus of the stated nanocomposite. The molecular structure of pristine graphene was treated using the density functional theory (DFT) method. By assuming graphene as a space-frame structure that preserves the discrete nature of graphene, they were modeled by the use of three-dimensional elastic beam elements for the Carbon-Carbon covalent bonds and point mass elements for the atoms. Then interfacial van der Waals interaction that exists between PVC and graphene was modeled using the general form of Lennard–Jones potential and simulated by a nonlinear truss rod model. The Lennard–Jones parameters and van der Waals forces were determined versus separation distance for the stated nonlinear truss rod via the DFT method. Finally, we prepared PVC/graphene samples with different weight percentages of graphene nanoplatelets experimentally using the melt-mixing procedure. Our computational modeling demonstrated that the magnitudes of Young’s modulus PVC/graphene were close to the experimentally obtained results until 1 wt% with an average difference of about 25%. Finally, we justified the obtained mechanical results by investigating the morphology of experimental samples using Transmission electron microscopy (TEM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) images.

中文翻译：

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PVC/石墨烯纳米复合材料力学性能的实验和多尺度量子力学建模

在目前的工作中，我们从理论上和实验上开发了 PVC（聚氯乙烯）/石墨烯纳米复合材料的机械性能。在我们的理论模型中，使用多尺度有限元模型来预测所述纳米复合材料的杨氏模量。使用密度泛函理论（DFT）方法处理原始石墨烯的分子结构。通过将石墨烯假设为保留石墨烯离散性质的空间框架结构，它们通过使用三维弹性梁元素用于碳-碳共价键和用于原子的点质量元素来建模。然后，使用 Lennard-Jones 势的一般形式对存在于 PVC 和石墨烯之间的界面范德华相互作用进行建模，并通过非线性桁架杆模型进行模拟。Lennard-Jones 参数和范德华力是通过 DFT 方法确定的与所述非线性桁架杆的分离距离的关系。最后，我们使用熔融混合程序通过实验制备了具有不同重量百分比石墨烯纳米片的 PVC/石墨烯样品。我们的计算模型表明，杨氏模量 PVC/石墨烯的大小接近实验获得的结果，直到 1 wt%，平均差异约为 25%。最后，我们通过使用透射电子显微镜 (TEM) 和扫描电子显微镜 (SEM) 图像研究实验样品的形态来证明获得的机械结果是正确的。我们使用熔融混合程序通过实验制备了具有不同重量百分比的石墨烯纳米片的 PVC/石墨烯样品。我们的计算模型表明，杨氏模量 PVC/石墨烯的大小接近实验获得的结果，直到 1 wt%，平均差异约为 25%。最后，我们通过使用透射电子显微镜 (TEM) 和扫描电子显微镜 (SEM) 图像研究实验样品的形态来证明获得的机械结果是正确的。我们使用熔融混合程序通过实验制备了具有不同重量百分比的石墨烯纳米片的 PVC/石墨烯样品。我们的计算模型表明，杨氏模量 PVC/石墨烯的大小接近实验获得的结果，直到 1 wt%，平均差异约为 25%。最后，我们通过使用透射电子显微镜 (TEM) 和扫描电子显微镜 (SEM) 图像研究实验样品的形态来证明获得的机械结果是正确的。