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前沿|當石墨烯“遇上”碳納米管,原來增韌機理是這樣!

完美的石墨烯是最強的材料之一,但是它的抗斷裂韌性仍需進一步提高。石墨烯與其它二維材料的抗斷裂能力與其斷裂過程中的所表現出來的脆性相關,而且脆性使得二維材料的機械性能評估變得極其困難。

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研究表明,将碳納米管引入塊狀材料可以顯著增韌和增強材料,這一設計理念與宏觀材料采用鋼筋嵌入混凝土來增韌類似。到目前為止,許多研究都集中在将碳納米管有效分散到塊體材料,如金屬、聚合物和陶瓷,制備既強又韌的納米複合材料。近年來,一維碳納米管和二維石墨烯已被成功地結合在一起,制成了所謂的“鋼筋石墨烯”,但是有關碳納米管如何增韌石墨烯的效果和原因還不明确。

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近日,美國Rice大學的Jun Lou等人,對碳納米管嵌入石墨烯的“鋼筋石墨烯”進行了全面的力學研究。Jun Lou及其合作者采用自主設計的微觀力學器件對“鋼筋石墨烯”進行了原位拉伸實驗,并結合分子動力學模拟揭示了植入的碳納米管提升石墨烯材料斷裂韌性的機理。相關成果以“Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes”為題發表在ACS Nano上。

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鋼筋石墨烯示意圖及拉曼光譜和HRTEM圖像

首先,Jun Lou等人通過一種有效的二維材料“幹轉移”方法将單層“鋼筋石墨烯”成功地轉移到自主研制的微觀力學器件上,并在掃描電子顯微鏡内進行了單軸拉伸試驗以獲取“鋼筋石墨烯”的力學性能及斷裂行為。

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“幹轉移”方法示意圖及“鋼筋石墨烯”斷裂實驗

在比較石墨烯和鋼筋石墨烯中裂紋擴展後,研究人員發現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和重新定向,從而産生鋸齒形斷裂表面。

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“鋼筋石墨烯”的裂紋

進一步地,Jun Lou等人用原位透射電子顯微鏡拉伸實驗及分子動力學模拟确認并證實“鋼筋石墨烯”的增韌機制。證明嵌入的碳納米管可以使得裂紋擴展發生偏轉彎折,而且可以橋連已斷裂裂紋。

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“鋼筋石墨烯”的單軸拉伸斷裂的MD模拟實驗

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“鋼筋石墨烯”的CNT橋接的MD模拟

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“鋼筋石墨烯”的增韌機制MD模拟

這項工作提供了石墨烯雜化材料斷裂過程的機理分析,并确定了二維材料可以被有效增韌。雜化石墨烯材料的制備,為其它二維複合材料開啟了新思路,而且可以根據其柔性設備應用的需求進行機械定制。

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