科学家通过整合碳纳米管来增强石墨烯的强度

图像描绘了莱斯大学材料科学家在电子显微镜下测试后的钢筋石墨烯样品。它显示了裂纹如何以之字形方式传播,而不是像在普通石墨烯中那样笔直地传播。钢筋石墨烯通过分子力在两侧附着到一个平台上,该平台将材料缓慢拉开。艾米丽·哈科皮安(Emily Hacopian)/楼群(Lou Group)摄影

赖斯大学的研究人员发现,抗断裂的“钢筋石墨烯”的韧性是原始石墨烯的两倍以上。

石墨烯是一层单原子的碳。在二维尺度上,该材料比钢更坚固,但由于石墨烯太薄,因此仍会撕裂和撕裂。

钢筋石墨烯是混凝土中钢筋(增强棒)的纳米级类似物,其中嵌入的钢筋增强了材料的强度和耐久性。由化学家James Tour的莱斯实验室在2014年开发的钢筋石墨烯使用碳纳米管进行加固。


模拟表明,碳纳米管如何通过充当钢筋(如混凝土中的钢筋)而使石墨烯的韧性提高一倍。布朗大学的研究人员与莱斯大学的实验人员合作,展示了钢筋如何在应力作用下帮助桥接或重新定向石墨烯中的裂纹。

在美国化学会期刊《 ACS Nano》上的一项新研究中,赖斯材料科学家Jun Lou,研究生和主要作者Emily Hacopian以及包括Tour在内的合作者进行了压力测试的钢筋石墨烯,发现纳米管钢筋会形成裂纹并桥接开裂,否则裂纹会蔓延开来。在未增强的石墨烯中。

实验表明,纳米管有助于石墨烯保持弹性,并减少裂纹的影响。Lou说,这不仅对柔性电子产品有用,而且对电活性可穿戴设备或其他需要应力承受能力,柔性,透明性和机械稳定性的设备也很有用。

布朗大学的合作者在实验室进行的机械测试和分子动力学模拟均显示了材料的韧性。

Lou说,石墨烯的优异导电性使其很适合用于设备,但其脆性是不利的。他的实验室两年前报告说,石墨烯的强度与其最弱的环节一样强。这些测试表明,原始石墨烯的强度“大大低于”其报告的固有强度。在后来的研究中,实验室发现研究人员感兴趣的另一种二维材料二硒化钼也很脆。

Tour与Lou及其小组接触,对钢筋石墨烯进行了类似的测试,该技术是通过将单壁纳米管旋涂到铜基板上并通过化学气相沉积在其上生长石墨烯来进行的。

为了对钢筋石墨烯进行压力测试,Hacopian,Yang及其同事不得不将其拉成碎片并测量所施加的力。经过反复试验,实验室开发出了一种方法来切割材料的微观部分,并将其安装在测试台上,以便与扫描电子显微镜和透射电子显微镜一起使用。

“我们无法使用胶水,因此我们必须了解材料与测试设备之间的分子间作用力,” Hacopian说。“使用如此脆弱的材料,这真的很困难。”

钢筋无法阻止石墨烯的最终破坏,但纳米管会通过在裂纹扩展时将其弯曲成锯齿状和锯齿状,从而减缓了该过程。当作用力太弱而无法完全破坏石墨烯时,纳米管有效地弥合了裂纹,在某些情况下还保留了材料的导电性。

Lou的实验室在较早的测试中显示,石墨烯的原生断裂韧性为4兆帕斯卡。他说,相比之下,螺纹钢石墨烯的平均韧性为10.7兆帕。

研究合著者华健高和他在布朗的团队进行的模拟证实了物理实验的结果。Gao的团队发现,在石墨烯中排列有序的钢筋时,在模拟中的效果与在物理样本中所测量的效果相同,并且钢筋以任意方式指向。

Lou说:“模拟非常重要,因为它们可以让我们以时间尺度观察过程,而显微镜技术是我们无法获得的,只能提供快照。”“布朗团队确实帮助我们了解了数字背后的情况。”

他说,钢筋石墨烯的结果是表征许多新材料的第一步。“我们希望这为人们为应用设计2D材质特征开辟了一个方向,” Lou说。

Hacopian,缅因大学的杨应超和布朗大学的博妮是该论文的共同主要作者。合著者是李一伦,赖国华,赖兴国和郑州大学,北京大学陈庆。Lou是Rice的材料科学和纳米工程教授。Tour是T.T.和W.F.赵超(Chao),化学教席,计算机科学,材料科学和纳米工程大米教授。高是布朗的Walter H. Annenberg工程学教授。

这项研究得到了韦尔奇基金会,空军科学研究部多学科大学研究院,基础能源科学能源部,中国国家自然科学基金会和国家科学基金会的支持。

出版物:Emily F.Hacopian等人,“通过整合碳纳米管来增韧石墨烯”,ACS Nano,2018年; DOI:10.1021 / acsnano.8b02311

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