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

【引言】

完美的石墨烯是最強的材料之一，但是它的抗斷裂的能力仍需進一步提高。石墨烯與其它二維材料的斷裂韌性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。研究表明將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，制備既強又韌的納米復合材料。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，即“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確。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擬揭示了植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。這一機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。

【成果簡介】

近日，美國Rice University的Jun Lou（通訊）作者等人，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。通過一種有效的二維材料“干轉移”方法，單層“鋼筋石墨烯”被成功轉移到Lou自主研制的微觀力學器件上，并在掃描電子顯微鏡內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。原位透射電子顯微鏡拉伸實驗及分子動力學模擬確認并證實“鋼筋石墨烯”的增韌機制，即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。這項工作提供了石墨烯雜化材料斷裂過程的機理分析，并確定了二維材料可以被有效增韌。相關成果以“Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes”為題發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖 1 鋼筋石墨烯結構表征

（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 “干轉移”方法示意圖及“鋼筋石墨烯斷”斷裂實驗

（a-f）“干轉移”方法示意圖；

（g）微觀力學器件的SEM圖像；

（h）斷裂前膜的SEM圖像；

（i）斷裂后膜的SEM圖像；

（j）應力-應變曲線圖。

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試

（a）拉伸試驗之前，微觀力學裝置上的鋼筋石墨烯圖；

（b）裂縫開始時的鋼筋石墨烯圖；

（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模擬實驗

（a）鋼筋石墨烯樣品的原子結構圖；

（b-d）沿y方向的增強CNT的不同分布圖：規則交錯圖案（b），傾斜交錯圖案（c）和隨機交錯圖案（d）；

（e，f）鋼筋模擬裂紋擴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）規則交錯分布CNT的鋼筋石墨烯裂紋擴展的MD模擬圖；

（b-d）橋接CNT的兩種失效模式圖；

（e）規則交錯分布CNT的鋼筋石墨烯的裂紋擴展試驗的應力-應變曲線圖；

（f-h）鋼筋石墨烯模型CNT和石墨烯連接區域的局部應力分布和原子結構圖。

圖 7 鋼筋石墨烯的增韌機制MD模擬

（a）石墨烯裂紋擴展的MD模擬圖；

（b，c）傾斜交錯分布CNT的鋼筋石墨烯裂紋擴展的MD模擬圖；

（d，e）子裂紋萌生（d）和裂紋粗化（e）的裂紋偏轉的圖；

（f）隨機交錯CNT圖案的鋼筋石墨烯的強烈橋接的裂紋偏轉圖；

（f-h）隨機交錯CNT圖案的鋼筋石墨烯的單軸拉伸的MD模擬圖。

【小結】

通過對鋼筋石墨烯和石墨烯的定量原位機械測試和數值模擬比較分析，Lou的團隊確定了嵌入式碳納米管的增韌機制。因為在將二維材料集成到電子元器件之前，這些測試和研究對于理解和增強所制備元器件的穩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展后，我們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，從而產生鋸齒形斷裂表面。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。

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

【團隊在該領域工作匯總】

在二維材料力學研究方面，Lou教授致力于微觀力學器件的設計與開發，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驗力學。到目前為止，相關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。

相關優質文獻推薦

1. Peng Zhang, Lulu Ma, Feifei Fan, Zhi Zeng, Cheng Peng, Phillip E. Loya, Zheng Liu, Yongji Gong, Jiangnan Zhang, Xingxiang Zhang, Pulickel M. Ajayan, Ting Zhu, and Jun Lou, “Fracture Toughness of Graphene”, Nat. Commun. 2014, 5, 3782.
2. Yingchao Yang, Xing Li, Minru Wen, Emily Hacopian, Weibing Chen, Yongji Gong, Jing Zhang, Bo Li, Wu Zhou, Pulickel M. Ajayan, Qing Chen, Ting Zhu, and Jun Lou, “Brittle Fracture of 2D MoSe2”, Adv. Mater. 2017, 29 (2), 1604201.
3. Yingchao Yang, Nam Dong Kim, Vikas Varshney, Sangwook Sihn, Yilun Li, Ajit K. Roy, James M. Tour, and Jun Lou, “In Situ Mechanical Investigation of Carbon Nanotube-Graphene Junction in Three-Dimensional Carbon Nanostructures”, Nanoscale, 2017, 9, 2916-2924.

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