完美的石墨烯是最強(qiáng)的材料之一，但是它的抗斷裂韌性仍需進(jìn)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(xiàn)出來的脆性相關(guān)，而且脆性使得二維材料的機(jī)械性能評估變得極其困難。

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，一維碳納米管和二維石墨烯已被成功地結(jié)合在一起，制成了所謂的“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。

近日，美國Rice大學(xué)的Jun Lou等人，對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。Jun Lou及其合作者采用自主設(shè)計(jì)的微觀力學(xué)器件對“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提升石墨烯材料斷裂韌性的機(jī)理。相關(guān)成果以“Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes”為題發(fā)表在ACS Nano上。

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“干轉(zhuǎn)移”方法將單層“鋼筋石墨烯”成功地轉(zhuǎn)移到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。

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

在比較石墨烯和鋼筋石墨烯中裂紋擴(kuò)展后，研究人員發(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。

“鋼筋石墨烯”的裂紋

進(jìn)一步地，Jun Lou等人用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。證明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。

“鋼筋石墨烯”的單軸拉伸斷裂的MD模擬實(shí)驗(yàn)

“鋼筋石墨烯”的CNT橋接的MD模擬

“鋼筋石墨烯”的增韌機(jī)制MD模擬

這項(xiàng)工作提供了石墨烯雜化材料斷裂過程的機(jī)理分析，并確定了二維材料可以被有效增韌。雜化石墨烯材料的制備，為其它二維復(fù)合材料開啟了新思路，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。