石墨烯結(jié)合了優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，以其為結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建的宏觀體在微納機(jī)電系統(tǒng)、復(fù)合材料、儲(chǔ)能器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前已有文獻(xiàn)報(bào)道石墨烯紙、石墨烯氣凝膠、石墨烯纖維等宏觀體，表現(xiàn)出各不相同的機(jī)械性能，與單片石墨烯力學(xué)性質(zhì)尚有較大差距。理論模擬表明，三維多孔石墨烯組裝體在較高密度下可能比鋼具有更高的比強(qiáng)度。但是，對(duì)于石墨烯組裝體的變形機(jī)制、本征結(jié)構(gòu)影響和尺寸效應(yīng)等基本問題，還鮮有實(shí)驗(yàn)研究與報(bào)道。
近日，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的Dmitri Golberg教授、重慶大學(xué)的張玲教授、天津大學(xué)的楊全紅教授（共同通訊作者），與中科院應(yīng)用物理所、中科院金屬研究所、清華大學(xué)深圳研究生院等單位合作者的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，在Adv. Funct. Mater上發(fā)表了題為“納米多孔石墨烯網(wǎng)絡(luò)力學(xué)性質(zhì)的尺寸效應(yīng)”的論文。以高密度、納米孔石墨烯宏觀體(HPGM)作為模型材料研究了石墨烯網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)性能和行為，尤其是石墨烯片層間相互作用和樣品尺寸的影響。原位納米壓痕測(cè)試表明，高溫退火可有效增強(qiáng)石墨烯層間的相互作用，促使塑性的HPGM轉(zhuǎn)變成高彈性的石墨烯網(wǎng)絡(luò)。電子顯微鏡內(nèi)微米柱和納米柱的原位壓縮實(shí)驗(yàn)揭示出HPGM力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)。隨著樣品尺寸減小到100 nm尺度，模量和強(qiáng)度分別大幅提高至30 GPa和2 GPa以上。分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了包括石墨烯片層滑移、彎曲、屈曲、孔結(jié)構(gòu)塌陷等階段的變形機(jī)理。伴隨尺寸減小，HPGM發(fā)生了脆性到韌性的轉(zhuǎn)變，可通過尺寸相關(guān)的體積變形能與臨界膨脹能的競(jìng)爭(zhēng)來理解。
作者團(tuán)隊(duì)通過納米壓痕、原位SEM和TEM壓縮實(shí)驗(yàn)研究了納米多孔石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)HPGM的力學(xué)性能，重點(diǎn)考察了內(nèi)在結(jié)構(gòu)和外在尺寸的影響。高溫退火可以提升石墨烯網(wǎng)絡(luò)的層間相互作用，導(dǎo)致其力學(xué)行為從高塑性轉(zhuǎn)變成高彈性。隨著尺寸的減小與弱連接數(shù)量的減少，石墨烯網(wǎng)絡(luò)的模量和強(qiáng)度得到大幅提高，并發(fā)生從脆性向韌性的轉(zhuǎn)變。由于尺寸增強(qiáng)效應(yīng)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.7 GPa，同時(shí)屈服應(yīng)變約15%。本工作揭示的力學(xué)性質(zhì)尺寸效應(yīng)在單層石墨烯和石墨烯宏觀體之間搭起了橋梁，有益于石墨烯作為基本結(jié)構(gòu)單元的碳材料和器件在多尺度上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
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