Rice University Jun Lou ACS Nano：碳纳米管增韧石墨烯

【引言】

完美的石墨烯是最强的材料之一，但是它的抗断裂的能力仍需进一步提高。石墨烯与其它二维材料的断裂韧性与其断裂过程中的所表现出来的脆性相关，而且脆性使得二维材料的机械性能评估变得极其困难。研究表明将碳纳米管引入块状材料可以显著增韧和增强材料，这一设计理念与宏观材料采用钢筋嵌入混凝土来增韧类似。到目前为止，许多研究都集中在将碳纳米管有效分散到块体材料，如金属，聚合物和陶瓷，制备既强又韧的纳米复合材料。近年来，一维碳纳米管和二维石墨烯已被成功地结合在一起，即“钢筋石墨烯”，但是有关碳纳米管如何增韧石墨烯的效果和原因还不明确。Jun Lou及其合作者采用自主设计的微观力学器件对“钢筋石墨烯”进行了原位拉伸实验，并结合分子动力学模拟揭示了植入的碳纳米管可以使得裂纹扩展发生偏转弯折，而且可以桥连已断裂裂纹。这一机制使得断裂功大幅增加从而显著提高了“钢筋石墨烯”的断裂韧性。

【成果简介】

近日，美国Rice University的Jun Lou（通讯）作者等人，对碳纳米管嵌入石墨烯的“钢筋石墨烯”进行了全面的力学研究。通过一种有效的二维材料“干转移”方法，单层“钢筋石墨烯”被成功转移到Lou自主研制的微观力学器件上，并在扫描电子显微镜内进行了单轴拉伸试验以获取“钢筋石墨烯”的力学性能及断裂行为。原位透射电子显微镜拉伸实验及分子动力学模拟确认并证实“钢筋石墨烯”的增韧机制，即嵌入的碳纳米管可以使得裂纹扩展发生偏转弯折，而且可以桥连已断裂裂纹。这项工作提供了石墨烯杂化材料断裂过程的机理分析，并确定了二维材料可以被有效增韧。相关成果以“Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes”为题发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图 1 钢筋石墨烯结构表征

（a）钢筋石墨烯的示意图；

（b）钢筋石墨烯的拉曼光谱；

（c-d）钢筋石墨烯的HRTEM图像。

图 2 “干转移”方法示意图及“钢筋石墨烯断”断裂实验

（a-f）“干转移”方法示意图；

（g）微观力学器件的SEM图像；

（h）断裂前膜的SEM图像；

（i）断裂后膜的SEM图像；

（j）应力-应变曲线图。

图 3 钢筋石墨烯的裂纹

（a）加载前钢筋石墨烯图；

（b）拉伸期间的钢筋石墨烯的锯齿形裂纹扩展和裂纹形成图；

（c）断裂的钢筋石墨烯的粗糙断裂表面图。

图 4 TEM中钢筋石墨烯的原位拉伸测试

（a）拉伸试验之前，微观力学装置上的钢筋石墨烯图；

（b）裂缝开始时的钢筋石墨烯图；

（c）钢筋石墨烯的裂缝形貌图；

（d-f）碳纳米管桥接和石墨烯桥接的断裂钢筋石墨烯图。

图 5 钢筋石墨烯的单轴拉伸断裂的MD模拟实验

（a）钢筋石墨烯样品的原子结构图；

（b-d）沿y方向的增强CNT的不同分布图：规则交错图案（b），倾斜交错图案（c）和随机交错图案（d）；

（e，f）钢筋模拟裂纹扩展和钢筋石墨烯纳米带的单轴拉伸图。

图 6 钢筋石墨烯的CNT桥接的MD模拟

（a）规则交错分布CNT的钢筋石墨烯裂纹扩展的MD模拟图；

（b-d）桥接CNT的两种失效模式图；

（e）规则交错分布CNT的钢筋石墨烯的裂纹扩展试验的应力-应变曲线图；

（f-h）钢筋石墨烯模型CNT和石墨烯连接区域的局部应力分布和原子结构图。

图 7 钢筋石墨烯的增韧机制MD模拟

（a）石墨烯裂纹扩展的MD模拟图；

（b，c）倾斜交错分布CNT的钢筋石墨烯裂纹扩展的MD模拟图；

（d，e）子裂纹萌生（d）和裂纹粗化（e）的裂纹偏转的图；

（f）随机交错CNT图案的钢筋石墨烯的强烈桥接的裂纹偏转图；

（f-h）随机交错CNT图案的钢筋石墨烯的单轴拉伸的MD模拟图。

【小结】

通过对钢筋石墨烯和石墨烯的定量原位机械测试和数值模拟比较分析，Lou的团队确定了嵌入式碳纳米管的增韧机制。因为在将二维材料集成到电子元器件之前，这些测试和研究对于理解和增强所制备元器件的稳定性和可靠性是必不可少的。在比较石墨烯和钢筋石墨烯中裂纹扩展后，我们发现石墨烯以线性脆性方式断裂，钢筋石墨烯的断裂由碳纳米管引导和重新定向，从而产生锯齿形断裂表面。这种杂化石墨烯材料的制备，为其它二维复合材料开启了新思路，而且可以根据其柔性设备应用的需求进行机械定制。

文献链接：Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02311）。

【团队在该领域工作汇总】

在二维材料力学研究方面，Lou教授致力于微观力学器件的设计与开发，新型二维材料合成，扫描电子显微镜及透射电子显微镜下的原位实验力学。到目前为止，相关成果包括首次量化石墨烯的断裂韧性，单层及双层硒化钼的断裂脆性研究，以及原位表征碳纳米管与单层石墨烯的界面力学。

相关优质文献推荐

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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