科學(xué)分刊：大規(guī)模低成本石墨烯韌性提高！
科學(xué)分刊：大規(guī)模低成本石墨烯韌性提高！
眾所周知，二維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。除了楊氏模量和機(jī)械強(qiáng)度外，斷裂韌性也是一個(gè)非常重要的力學(xué)指標(biāo)，反映了材料抵抗裂紋失穩(wěn)和擴(kuò)展的能力。
由于材料在實(shí)際應(yīng)用中固有的缺陷，斷裂韌度在許多情況下能較好地反映材料的力學(xué)性能，但楊氏模量和機(jī)械強(qiáng)度很高的材料的斷裂韌度并不一定相同。例如，石墨烯已被證明是目前發(fā)現(xiàn)的楊氏模量和強(qiáng)度最高的材料，但其斷裂韌性僅為16 J/m2左右，低于某一特定值，二維材料的脆性力學(xué)性能是某些傳統(tǒng)材料斷裂韌性較低的重要原因之一。材料。
大量的研究表明，在二維材料中引入納米缺陷可以提高材料的塑性性能，提高材料的斷裂韌性。然而，這種方法需要很高的實(shí)驗(yàn)技能和昂貴的設(shè)備來精確地控制缺陷的大小和形狀，而且只能在很小的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，因此很難大規(guī)模地應(yīng)用于二維材料。
鑒于此，多倫多大學(xué)的余孫、錢德拉·維爾·辛格和托賓·菲爾特提出了一種新的化學(xué)方法來改變力學(xué)性能的策略。通過在二維材料中引入化學(xué)官能團(tuán)，增加石墨烯的厚度，使二維材料的塑性和斷裂韌性得到了很大的提高，有望在大規(guī)模、低成本的二維材料領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
使用透射電子顯微鏡（TEM），研究人員首先用電子槍在多層氧化石墨烯（MGO）上蝕刻約10%寬度的裂紋，然后在透射電子顯微鏡（TEM）中使用微型機(jī)電設(shè)備進(jìn)行原位拉伸試驗(yàn)，測試開裂的氧化石墨烯，直至完全破裂。
發(fā)現(xiàn)多層氧化石墨烯能抑制裂紋，當(dāng)裂紋開始膨脹時(shí)，它們不會(huì)立即延伸到薄膜狀石墨烯的邊緣，而是在中間停止。當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步增大時(shí)，裂紋擴(kuò)展到薄膜邊緣。這種裂紋抑制機(jī)制首先在二維材料中發(fā)現(xiàn)。
此外，由于多層氧化石墨烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是非線性的，因此格里菲斯斷裂定理不能用來計(jì)算其斷裂韌性。本文論證了將格里菲斯斷裂定理應(yīng)用于非線性二維材料的不合理性，指出非線性材料的斷裂韌性應(yīng)采用哈欽森和賴斯提出的J積分理論計(jì)算，采用高清晰度電子顯微鏡圖像、有限元法。用J積分理論計(jì)算多層氧化石墨烯的斷裂韌性是單層純碳石墨烯的三倍以上。
多倫多研究小組通過分子動(dòng)力學(xué)模擬指出，多層氧化石墨烯中裂紋抑制的潛在原因是，一旦裂紋在單層氧化石墨烯中開始擴(kuò)展，它們自然會(huì)尋找更容易破碎的具有氧化官能團(tuán)的碳原子，當(dāng)它們遇到SP2鍵時(shí)，它們的表面會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。T需要更多的能量來破壞，它們需要更多的能量。應(yīng)變能阻止裂紋擴(kuò)展，而石墨烯沒有氧化官能團(tuán)，因此在相同的條件下，雖然需要更高的應(yīng)力來使裂紋擴(kuò)展，但沒有裂紋抑制現(xiàn)象。此外，斷裂強(qiáng)度更高的潛在原因是多層氧化石墨烯比單層氧化石墨烯的硬度是指每層純氧化石墨烯的裂紋是相同的，而多層氧化石墨烯由于氧化官能團(tuán)的無序分布，每層裂紋擴(kuò)展路徑不同，需要更多的應(yīng)變能。
綜上所述，本研究為用化學(xué)方法控制二維材料的力學(xué)性能提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為制備具有較強(qiáng)斷裂韌性的二維材料提供了新的方向。
曹長紅，穆克吉，孫玉順，辛格，菲爾特等，功能化石墨烯多層膜的非線性斷裂韌性測量和裂紋擴(kuò)展阻力。SCI。ADV.2018；4:EAAO7202.
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