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Rice University Jun Lou ACS Nano：碳納米管增韌石墨烯

2018-08-06 12:09:52 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料人分享至：

【引言】

完美的石墨烯是最強(qiáng)的材料之一，但是它的抗斷裂的能力仍需進(jìn)一步提高。石墨烯與其它二維材料的斷裂韌性與其斷裂過(guò)程中的所表現(xiàn)出來(lái)的脆性相關(guān)，而且脆性使得二維材料的機(jī)械性能評(píng)估變得極其困難。研究表明將碳納米管引入塊狀材料可以顯著增韌和增強(qiáng)材料，這一設(shè)計(jì)理念與宏觀材料采用鋼筋嵌入混凝土來(lái)增韌類似。到目前為止，許多研究都集中在將碳納米管有效分散到塊體材料，如金屬，聚合物和陶瓷，制備既強(qiáng)又韌的納米復(fù)合材料。近年來(lái)，一維碳納米管和二維石墨烯已被成功地結(jié)合在一起，即“鋼筋石墨烯”，但是有關(guān)碳納米管如何增韌石墨烯的效果和原因還不明確。Jun Lou及其合作者采用自主設(shè)計(jì)的微觀力學(xué)器件對(duì)“鋼筋石墨烯”進(jìn)行了原位拉伸實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了植入的碳納米管可以使得裂紋擴(kuò)展發(fā)生偏轉(zhuǎn)彎折，而且可以橋連已斷裂裂紋。這一機(jī)制使得斷裂功大幅增加從而顯著提高了“鋼筋石墨烯”的斷裂韌性。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，美國(guó)Rice University的Jun Lou（通訊）作者等人，對(duì)碳納米管嵌入石墨烯的“鋼筋石墨烯”進(jìn)行了全面的力學(xué)研究。通過(guò)一種有效的二維材料“干轉(zhuǎn)移”方法，單層“鋼筋石墨烯”被成功轉(zhuǎn)移到Lou自主研制的微觀力學(xué)器件上，并在掃描電子顯微鏡內(nèi)進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)以獲取“鋼筋石墨烯”的力學(xué)性能及斷裂行為。原位透射電子顯微鏡拉伸實(shí)驗(yàn)及分子動(dòng)力學(xué)模擬確認(rèn)并證實(shí)“鋼筋石墨烯”的增韌機(jī)制，即嵌入的碳納米管可以使得裂紋擴(kuò)展發(fā)生偏轉(zhuǎn)彎折，而且可以橋連已斷裂裂紋。這項(xiàng)工作提供了石墨烯雜化材料斷裂過(guò)程的機(jī)理分析，并確定了二維材料可以被有效增韌。相關(guān)成果以“Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes”為題發(fā)表在ACS Nano上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1 鋼筋石墨烯結(jié)構(gòu)表征

（a）鋼筋石墨烯的示意圖；（b）鋼筋石墨烯的拉曼光譜；（c-d）鋼筋石墨烯的HRTEM圖像。

圖 2 “干轉(zhuǎn)移”方法示意圖及“鋼筋石墨烯斷”斷裂實(shí)驗(yàn)

（a-f）“干轉(zhuǎn)移”方法示意圖；（g）微觀力學(xué)器件的SEM圖像；（h）斷裂前膜的SEM圖像；（i）斷裂后膜的SEM圖像；（j）應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

圖 3 鋼筋石墨烯的裂紋

（a）加載前鋼筋石墨烯圖；（b）拉伸期間的鋼筋石墨烯的鋸齒形裂紋擴(kuò)展和裂紋形成圖；（c）斷裂的鋼筋石墨烯的粗糙斷裂表面圖。

圖 4 TEM中鋼筋石墨烯的原位拉伸測(cè)試

（a）拉伸試驗(yàn)之前，微觀力學(xué)裝置上的鋼筋石墨烯圖；（b）裂縫開(kāi)始時(shí)的鋼筋石墨烯圖；（c）鋼筋石墨烯的裂縫形貌圖；（d-f）碳納米管橋接和石墨烯橋接的斷裂鋼筋石墨烯圖。

圖 5 鋼筋石墨烯的單軸拉伸斷裂的MD模擬實(shí)驗(yàn)

（a）鋼筋石墨烯樣品的原子結(jié)構(gòu)圖；（b-d）沿y方向的增強(qiáng)CNT的不同分布圖：規(guī)則交錯(cuò)圖案（b），傾斜交錯(cuò)圖案（c）和隨機(jī)交錯(cuò)圖案（d）；（e，f）鋼筋模擬裂紋擴(kuò)展和鋼筋石墨烯納米帶的單軸拉伸圖。

圖 6 鋼筋石墨烯的CNT橋接的MD模擬

（a）規(guī)則交錯(cuò)分布CNT的鋼筋石墨烯裂紋擴(kuò)展的MD模擬圖；（b-d）橋接CNT的兩種失效模式圖；（e）規(guī)則交錯(cuò)分布CNT的鋼筋石墨烯的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；（f-h）鋼筋石墨烯模型CNT和石墨烯連接區(qū)域的局部應(yīng)力分布和原子結(jié)構(gòu)圖。

圖 7 鋼筋石墨烯的增韌機(jī)制MD模擬

（a）石墨烯裂紋擴(kuò)展的MD模擬圖；（b，c）傾斜交錯(cuò)分布CNT的鋼筋石墨烯裂紋擴(kuò)展的MD模擬圖；（d，e）子裂紋萌生（d）和裂紋粗化（e）的裂紋偏轉(zhuǎn)的圖；（f）隨機(jī)交錯(cuò)CNT圖案的鋼筋石墨烯的強(qiáng)烈橋接的裂紋偏轉(zhuǎn)圖；（f-h）隨機(jī)交錯(cuò)CNT圖案的鋼筋石墨烯的單軸拉伸的MD模擬圖。

【小結(jié)】

通過(guò)對(duì)鋼筋石墨烯和石墨烯的定量原位機(jī)械測(cè)試和數(shù)值模擬比較分析，Lou的團(tuán)隊(duì)確定了嵌入式碳納米管的增韌機(jī)制。因?yàn)樵趯⒍S材料集成到電子元器件之前，這些測(cè)試和研究對(duì)于理解和增強(qiáng)所制備元器件的穩(wěn)定性和可靠性是必不可少的。在比較石墨烯和鋼筋石墨烯中裂紋擴(kuò)展后，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯以線性脆性方式斷裂，鋼筋石墨烯的斷裂由碳納米管引導(dǎo)和重新定向，從而產(chǎn)生鋸齒形斷裂表面。這種雜化石墨烯材料的制備，為其它二維復(fù)合材料開(kāi)啟了新思路，而且可以根據(jù)其柔性設(shè)備應(yīng)用的需求進(jìn)行機(jī)械定制。

文獻(xiàn)鏈接：Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02311）。

團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域工作匯總在二維材料力學(xué)研究方面，Lou教授致力于微觀力學(xué)器件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，新型二維材料合成，掃描電子顯微鏡及透射電子顯微鏡下的原位實(shí)驗(yàn)力學(xué)。到目前為止，相關(guān)成果包括首次量化石墨烯的斷裂韌性，單層及雙層硒化鉬的斷裂脆性研究，以及原位表征碳納米管與單層石墨烯的界面力學(xué)。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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