石墨烯力学性能的最新研究进展

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  1 概述

  自 2004 年英国 Manchester 大学的 Novoselov等[1]首次用机械剥离法获得单层石墨烯以来,石墨烯以其独特的结构,优异的电学、热学、化学力学性能迅速引起了广泛地关注。石墨烯具有良好的导热性能 5000W/(m·K)[2],室温下电荷迁移率高达 15,000 cm2/(V·s)[3],比表面积为 2630m2/g[4],杨氏模量和力学性能分别为 1.02TPa 和 130GPa[5].石墨烯的这些优良性能使其可以广泛地应用于电子科技、量子物理和化学材料等各方面,且已经应用于催化剂载体、航天器的机身、太阳能电池、防弹衣以及代替硅和铜在导体和半导体中。因此,石墨烯从第一次被成功制备以来,已经成为各国科学前沿领域中的研究热点之一。本文重点综述了近几年研究石墨烯力学性能的最新进展,并展望了石墨烯及其复合材料的应用与发展前景。

  2 石墨烯力学性能的最新研究进展

  石墨烯的力学性能的测定是认识其性能并将其应用的基础和前提条件,研究方法主要有实验测试、数值模拟和理论分析三种途径。然而,杨氏模量、泊松比、抗拉强度等基本力学性能参数的预测,是近年来石墨烯力学性能研究的主要内容之一。需指出的是,杨氏模量等力学性能参数是属于连续介质框架下的力学概念,由于石墨烯是由单层碳原子构成,其厚度必须采用连续介质假设后计算其力学性能参数才有意义。因此采用不同的厚度定义方式,得到的应力和杨氏模量等结果是不同。在这些研究中,取石墨晶体的层间距 0.335nm 的较多。

  在实验测试方面,由于石墨烯特殊的二维结构,传统的宏观材料测试方法和技术很难获得石墨烯有效的力学性能参数。目前通过原子力显微镜(AFM)纳米压痕实验方法能够有效地对石墨烯的杨氏模量进行测定。Lee 等[5]利用 AFM 方法在带有孔状结构的 Si 衬底表面上放置石墨烯,研究石墨烯的弹性性质和断裂强度,得到压头压入深度与所施加的力的关系曲线,并借助连续介质力学分析,假设石墨烯厚度为 0.335nm,得到石墨烯的杨氏模量为 1.02TPa.Frank 等[6]利用 AFM 方法得到小于 5 层的堆叠石墨烯的杨氏模量为 0.5TPa.Gomez-Navarro 等[7]利用探针引诱变形方式,在假设厚度为 1.0nm 的前提下,测得通过化学氧化还原制备得到的单层悬浮石墨烯的杨氏模量为 0.25±0.15TPa,并发现其具有非常高的柔韧性。AFM 方法测试了多层石墨烯的弯曲刚度和应力特性,并研究其与薄膜厚度的依赖关系。AFM 方法需要借助理论分析才能得到有效的材料力学性能参数,同时,纳米压痕的结果具有一定的分散性,压头尺寸、形状、位置以及材料本身的一些形貌特征对实验结果会带来较大的影响,需要进行大量的实验,采用多点测量,统计分析的方法才能获得有意义的实验结果。

  除了实验测试手段,多种理论计算方法也被应用于石墨烯的材料常数和力学性能研究。常见的方法有第一性原理从头计算方法,密度泛函理论(DFT)计算、半经验(SE)模拟法、紧束缚(TB)方法,分子动力学(MD)方法,分子力学(MM)方法、有限元模型(FEM)、蒙特卡罗(Monte Carlo)方法等。这些理论用来预测石墨烯基本力学性能参数,如杨氏模量、泊松比、强度等,还可用于研究石墨烯变形破坏机制。这些理论方法得到石墨烯的弹性模量和泊松比,如表 1 所示。从表中可知,REBO/AIREBO 势的分子动力学(MD)模拟得到的弹性模量略低于用COMPASS势的MM/ MD方法或DFT 方法所得的值。用 MM/MD 计算的泊松比明显高于用 DFT 计算的值。不同的原因目前仍然不清楚。【1】

  
  理论分析方面,清华大学黄克智[26]提出“石墨烯的基于原子势的线弹性壳体理论”,采用小变形的线弹性壳体理论,直接由原子势解析地导出石墨烯的拉伸刚度和弯曲刚度,也可由原子势函数得到石墨烯的厚度和弹性模量,但它们并不是一个固定的值,而是依赖于加载的方式。由原子势得到的石墨烯线弹性本构关系是各向同性的,但与经典的各向同性平板理论不同,石墨烯的小变形扭转刚度为零,由原子势得到的石墨烯的弯曲刚度仅依赖于多体原子势中原子键夹角的部分,它不同于经典壳体中由中性面两侧拉/压形成的弯曲刚度。另外,该研究组[27]进一步发展了“基于原子势的有限变形壳体理论”,通过格林应变张量与曲率张量来表示变形过程中原子键长以及相邻键间的夹角,得到内力和内力矩与应变和曲率之间的比率形式关系。美国德克萨斯大学奥斯汀分校 Huang[28-29]等利用原子模拟和连续介质力学相结合研究石墨烯的力学性能,发展了适用于石墨烯面内和弯曲变形的非线性介质力学理论框架。

  3 石墨烯及其复合材料的应用与前景

  这些大量的研究发现石墨烯具有优异的力学、热学和电学性能,能够在高性能纳电子器件、电化学生物传感器、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存计算机芯片等众多领域获得广泛应用。

  本文只给出几个石墨烯复合材料的最新应用。Zeng等[30]对一种以 DNA 为基础的电化学生物传感器的简便接口进行了研究。此接口是由石墨烯和 CdS 组成的纳米复合材料,并将其应用到苯乙双胍(降糖灵,降血糖用药)中进行研究。得到 CR-CdS 纳米复合材料具有卓越的轻便电子转移性能,并将这种纳米复合纳米材料的生物传感器接口成功应用于实际样品测定降糖灵。Xu 等[31]对氧化石墨烯/TiO2 复合材料进行研究,发现氧化石墨烯/TiO2 复合材料可以作为水净化的过滤膜。Chen 等[32]

  制备的石墨烯/Polyaniline 超级电容器,其电容器的功率密度已经达到 10KW/kg,能量密度为 28.5Wh/kg,最大比电容为 205F/g,并拥有较长的循环寿命。石墨烯与Au[33]、Ag[34]制备的纳米复合材料在增强拉曼效应方面比单独的石墨烯要好,同时增强的效果与制备的品质、尺寸和纳米结构都有关系。

  4 结语

  自从 2004 年发现石墨烯以来,关于它的研究不断取得突破性进展,充分展示了其在理论研究和实际应用领域的巨大潜力和发展前景。本文主要介绍了近年来国内外在石墨烯力学性能的实验测量、理论计算等研究方面的前沿进展。值得注意的是,石墨烯的研究与应用中仍存在诸多挑战。比如:如何大规模制备高质量石墨烯;石墨烯的很多性质如电子性能、磁性等仍待探究;石墨烯新的应用领域有待探索,相应要求有待明确;石墨烯与其他学科的交叉领域有待进一步开拓。

  参考文献
  
  [1] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric fieldeffect in atomically thin carbon films [J].Science,2004,306(5696): 666-669.
  [2] Balandin A A, Ghosh S, Bao W Z, et al. Superior thermalconductivity of single-layer grapheme [J].Nano. Lett., 2008,8: 902-907.[3] Bolotin K I, Sikes K J, Jiang Z, et al. Ultrahigh electronmobility in suspended grapheme[J].Solid State Commun.,2008, 146: 351-355.
  [4] Steurer P, Wissert R, Thomann R, et al. Functionalizedgraphenes and thermoplastic nanocomposites based uponexpanded graphite oxide[J].Macromol Rapid Commun.,2009, 30: 316-327.
  [5] Lee C, Wei X D, Kysar J W, ed al. Measurement of theelastic properties and intrinsic strength of monolayergrapheme [J]. Science, 2008, 321: 385-388.

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