西安交大&浙大：基于真实微结构建模研究石墨烯组件的多尺度机械降解

探索和理解分层石墨烯组件中的结构-机械性能关系对于优化其机械性能和开发新功能至关重要，因为从原始石墨烯到石墨烯组件，拉伸强度下降了两个数量级。然而，由于复杂的层次结构，量化多尺度的强度退化是一个挑战。因此，应提取不同长度尺度上影响石墨烯组件力学性能的关键结构和主导因素，以合理地揭示该问题。

来自西安交通大学和浙江大学的学者通过实际微观结构引导的多尺度建模来表征石墨烯组件的多尺度机械降解。结合实验观察，开发了三个代表性模型来研究不同长度尺度石墨烯组件的力学行为。然后，确定了影响这些长度尺度强度的主导因素，即单层石墨烯的缺陷、堆叠石墨烯的拉剪载荷传递以及石墨烯组件的均匀性。基于模拟结果，给出了石墨烯组件的结构-强度关系，并提出了实验实现后的实用策略，以显着提高石墨烯基纳米复合材料的力学性能。相关文章以“Exploring and Understanding the Multiscale Mechanical Degradation in Graphene Assemblies via Practical Microstructure Guided Modeling”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202300210

图 1.a) 单层石墨烯的 TEM 图像，包括空位、空隙和官能团缺陷。b) 堆叠石墨烯片的 TEM 图像，显示紧密堆叠的石墨烯片。c) 具有互连网络的近固体石墨烯薄膜的 SEM 图像。d）本工作中相应的三级模拟模型，包括缺陷石墨烯、堆叠多层石墨烯和石墨烯组件的互连微观结构。e) 相应的三级特征因子，涉及缺陷敏感性、载荷传递和微观结构。

图 2. 具有混合缺陷的单层石墨烯的结构图示，a) 顶视图和 b) 侧视图。c）无缺陷石墨烯和点空位、SW缺陷、空洞和缺陷浓度p₁ = 0.002的混合缺陷的单一缺陷沿扶手椅（x）方向单轴拉伸的拉伸应力-应变曲线。d) 从(c)中获得的拉伸模量、拉伸强度和断裂应变。

图 3. 对于不同类型的缺陷，a) 拉伸模量、b) 拉伸强度和 c) 断裂应变与缺陷密度的关系。d) 缺陷密度的归一化强度。一般的衰减关系由虚线给出。

图 4.a) 碳交联率分别为 1.71%、7.29% 和15.06% 的堆叠多层石墨烯的原子构型。b) 不同样品沿x方向单轴拉伸的拉伸应力-应变曲线。c) 拉伸模量、拉伸强度和断裂应变与交联比的关系。d）堆叠多层石墨烯的归一化强度与交联比的关系。

图 5.a) 具有不同均匀性的石墨烯组件。b) 交联率为15.06%时沿x方向单轴拉伸的拉伸应力-应变曲线。c) 拉伸模量、拉伸强度和断裂应变与均匀性的关系。d) 归一化强度与均匀性的关系。

图 6.从原始石墨烯到石墨烯组件的强度退化的三级层次结构。

图 7.高性能石墨烯组件的优化设计。a₁--b₄)(a₁-a₄)GP-1和(b₁-b₄)GP-3的层次结构。c）制造的石墨烯纸的拉伸强度。

本研究通过实际的微结构引导多尺度建模来表征石墨烯组件的多尺度机械降解。结合实验观察，开发了三种具有代表性的仿真模型来研究不同长度尺度石墨烯组件的力学行为。本研究发现并提取了影响石墨烯组件机械降解的主导因素，即单层石墨烯的缺陷、堆叠多层石墨烯的拉剪载荷传递以及石墨烯组件的结构均匀性。此外，还提出了模拟结果的唯象形式主义，以简单地理解石墨烯组件的多尺度强度退化。根据模拟结果，通过降低单层石墨烯中的缺陷密度、增加堆叠多层石墨烯中的充分载荷传递以及提高石墨烯组装体的均匀性，可以实现基于高性能石墨烯的组装体的实质性改进，这可以进一步提高石墨烯组装体的均匀性。了解从原子到石墨烯组件的建筑桥梁。（文：SSC）