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科学分刊:大规模低成本石墨烯韧性提高!

编辑: 发布时间:2019-10-25 17:20:37

科学分刊:大规模低成本石墨烯韧性提高!

众所周知,二维材料具有优良的力学性能。除了杨氏模量和机械强度外,断裂韧性也是一个非常重要的力学指标,反映了材料抵抗裂纹失稳和扩展的能力。

由于材料在实际应用中固有的缺陷,断裂韧度在许多情况下能较好地反映材料的力学性能,但杨氏模量和机械强度很高的材料的断裂韧度并不一定相同。例如,石墨烯已被证明是目前发现的杨氏模量和强度最高的材料,但其断裂韧性仅为16 J/m2左右,低于某一特定值,二维材料的脆性力学性能是某些传统材料断裂韧性较低的重要原因之一。材料。

大量的研究表明,在二维材料中引入纳米缺陷可以提高材料的塑性性能,提高材料的断裂韧性。然而,这种方法需要很高的实验技能和昂贵的设备来精确地控制缺陷的大小和形状,而且只能在很小的区域内实现,因此很难大规模地应用于二维材料。

鉴于此,多伦多大学的余孙、钱德拉·维尔·辛格和托宾·菲尔特提出了一种新的化学方法来改变力学性能的策略。通过在二维材料中引入化学官能团,增加石墨烯的厚度,使二维材料的塑性和断裂韧性得到了很大的提高,有望在大规模、低成本的二维材料领域得到广泛的应用。

使用透射电子显微镜(TEM),研究人员首先用电子枪在多层氧化石墨烯(MGO)上蚀刻约10%宽度的裂纹,然后在透射电子显微镜(TEM)中使用微型机电设备进行原位拉伸试验,测试开裂的氧化石墨烯,直至完全破裂。

发现多层氧化石墨烯能抑制裂纹,当裂纹开始膨胀时,它们不会马上延伸到薄膜状石墨烯的边缘,而是在中间停止。当应力进一步增大时,裂纹扩展到薄膜边缘。这种裂纹抑制机制首先在二维材料中发现。

此外,由于多层氧化石墨烯的应力-应变曲线是非线性的,因此格里菲斯断裂定理不能用来计算其断裂韧性。本文论证了将格里菲斯断裂定理应用于非线性二维材料的不合理性,指出非线性材料的断裂韧性应采用哈钦森和赖斯提出的J积分理论计算,采用高清晰度电子显微镜图像、有限元法。用J积分理论计算多层氧化石墨烯的断裂韧性是单层纯碳石墨烯的三倍以上。

多伦多研究小组通过分子动力学模拟指出,多层氧化石墨烯中裂纹抑制的潜在原因是,一旦裂纹在单层氧化石墨烯中开始扩展,它们自然会寻找更容易破碎的具有氧化官能团的碳原子,当它们遇到SP2键时,它们的表面会发生氧化反应。T需要更多的能量来破坏,它们需要更多的能量。应变能阻止裂纹扩展,而石墨烯没有氧化官能团,因此在相同的条件下,虽然需要更高的应力来使裂纹扩展,但没有裂纹抑制现象。此外,断裂强度更高的潜在原因是多层氧化石墨烯比单层氧化石墨烯的硬度是指每层纯氧化石墨烯的裂纹是相同的,而多层氧化石墨烯由于氧化官能团的无序分布,每层裂纹扩展路径不同,需要更多的应变能。

综上所述,本研究为用化学方法控制二维材料的力学性能提供了理论和实验依据,为制备具有较强断裂韧性的二维材料提供了新的方向。

曹长红,穆克吉,孙玉顺,辛格,菲尔特等,功能化石墨烯多层膜的非线性断裂韧性测量和裂纹扩展阻力。SCI。ADV.2018;4:EAAO7202.



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