科學分（fèn）刊：大規模低成本石墨烯韌性提高！

科學分刊：大規模低成本石墨烯（xī）韌性提高！

眾所周知，二維材料具有優良的力學性能。除了楊氏模量和機械強度（dù）外，斷裂韌性也是一個非常（cháng）重要的力學指標，反映了材料抵抗裂紋失（shī）穩和擴展的能力（lì）。

由於材料在實際應用中固有的缺陷，斷裂韌度在（zài）許多情況下能較好地反映材料的力學（xué）性能，但楊氏模（mó）量和機械強度很高（gāo）的（de）材料的斷裂韌度並（bìng）不一（yī）定相同。例如，石墨烯已被證明是（shì）目前發現的（de）楊氏模量和強度（dù）最（zuì）高的材料，但其斷（duàn）裂韌性僅為16 J/m2左右，低於某一特定值（zhí），二維材料的脆性力學性能是某些傳統（tǒng）材料斷（duàn）裂韌性較低（dī）的重要原因之一。材料。

大量的研究表明，在二維材料中引入納米缺陷可（kě）以提高材料的塑性性能，提高材料的斷（duàn）裂韌性。然而，這種方法需要很高的實驗技能和昂貴（guì）的設備（bèi）來（lái）精確地控製缺陷的大小和形狀，而且隻能在很小的區域內實現，因此很難大規模地應用（yòng）於二（èr）維材料。

鑒於此，多倫多大學的餘孫、錢德拉（lā）·維爾·辛格和托賓（bīn）·菲（fēi）爾（ěr）特提出了一種新的化學方法來改變力（lì）學性（xìng）能的策略。通過在二維材料中引入（rù）化學官能團，增加石墨烯的厚（hòu）度（dù），使二維材（cái）料的塑性和斷裂韌性得（dé）到了很大的提高，有望在大規（guī）模、低成本的二維材料領（lǐng）域得到廣泛的應用。

使用透射（shè）電子顯微鏡（TEM），研究人員首先用電子槍在多層氧化石墨烯（xī）（MGO）上蝕刻約10%寬度（dù）的裂紋，然後在透射電子顯微鏡（TEM）中（zhōng）使用（yòng）微型機電設備進行原位拉伸試驗，測試開裂的氧化石墨烯，直至（zhì）完全破裂。

發（fā）現多層氧化石墨烯能抑製裂紋，當裂紋（wén）開始膨脹時，它（tā）們不會立即（jí）延伸到薄（báo）膜狀石墨烯的邊緣，而是（shì）在中間停（tíng）止。當應力進一步增大時（shí），裂紋擴展到薄膜邊緣。這種裂紋抑製機製首先在二維材料中發現。

此外，由於多層氧化石墨烯的應力-應變曲線是非線性的，因此格（gé）裏菲斯斷裂定理不能用來計算其斷裂韌性。本文論證（zhèng）了將格裏菲斯斷裂定理應用於非（fēi）線性二維材料（liào）的不合理（lǐ）性，指出非（fēi）線（xiàn）性材料（liào）的（de）斷裂韌性應采用哈欽森和賴斯提出（chū）的J積分理（lǐ）論（lùn）計算，采用高清晰度電子顯微鏡（jìng）圖像、有（yǒu）限（xiàn）元法。用J積分理論計算（suàn）多層氧化石墨烯的斷裂韌性是單層純碳石墨烯的三（sān）倍以上。

多倫多研究小組（zǔ）通過分子動（dòng）力（lì）學模（mó）擬指出，多層氧化石墨烯中裂（liè）紋抑製的潛在原因是，一旦裂紋在單層氧化（huà）石墨烯中開始擴展，它們自然會（huì）尋找更容易破碎的具有氧化官能團的（de）碳原子（zǐ），當它們遇到SP2鍵時，它們的表麵會發生氧化反（fǎn）應。T需要更多的能量來破壞，它們需要更多的能（néng）量。應變能阻止裂紋擴展，而石墨烯沒有氧化官能團，因（yīn）此在相同的（de）條件下，雖（suī）然需要更高的應力（lì）來使裂紋擴展，但沒有裂紋抑製現象（xiàng）。此外，斷裂強度（dù）更高的（de）潛（qián）在原因是多層氧化石墨烯比單（dān）層氧化石（shí）墨烯的硬（yìng）度是指每（měi）層（céng）純氧化石（shí）墨烯的裂紋是相同的，而多層氧化石（shí）墨（mò）烯由於氧化官能團的無序分布，每層裂紋擴展路徑不（bú）同，需要更多的應變（biàn）能（néng）。

綜上所述，本研究（jiū）為用化學方法控製二維材料的力學性能提供了理論和實驗依據，為製（zhì）備具有較強斷（duàn）裂韌性的二維材料提供了新的方向。

曹長紅，穆克吉，孫玉順，辛格（gé），菲爾特等，功能化石墨烯多層膜的非線性斷裂韌性測量和裂紋擴展阻力。SCI。ADV.2018；4:EAAO7202.

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