Как мы все знаем, двумерные материалы обладают отличными механическими свойствами. Помимо модуля Юнга и механической прочности вязкость разрушения также является очень важным механическим показателем, отражающим способность материалов сопротивляться распространению трещин.
Поскольку материал имеет присущие изъяны в практических применениях, вязкость разрушения во многих случаях может лучше отражать механические свойства материала. Однако для материалов с очень высоким модулем Юнга и механической прочностью вязкость разрушения не обязательно такая высокая. Графен оказался материалом с самым высоким модулем Юнга и прочностью, найденным до сих пор, но его вязкость разрушения составляет всего около 16 Дж / м2, что ниже, чем некоторые традиционные материалы, в то время как хрупкие механические свойства двумерных материалов приводят к Одна из важных причин его низкой вязкости разрушения.
Многочисленные исследования показали, что введение наноразмерных дефектов в двумерных материалах может повысить пластические свойства материала и тем самым повысить его вязкость разрушения. Однако этот метод требует чрезвычайно высоких экспериментальных навыков и дорогостоящего оборудования для точного контроля размера вводимых дефектов. И форма, и может быть достигнута только в очень небольшой области, ее трудно масштабировать в двумерные материалы.
В связи с этим Ю Сун, Чандра Вир Сингх и Тобин Филлетер из Университета Торонто разработали новую стратегию химических средств для изменения механических свойств. Вводя химические функциональные группы в двумерные материалы и увеличивая толщину графена, он значительно улучшил Ожидается, что пластические свойства и вязкость разрушения двумерных материалов будут широко использоваться в двумерных материалах.
Используя просвечивающую электронную микроскопию, исследователи сначала протравили примерно 10% ширины многослойного оксида графена электронным пушкой, а затем провели in situ испытание на растяжение крекированного оксида графена в просвечивающем электронном микроскопе через MEMS-устройство. Он полностью ломается.
Было обнаружено, что в эксперименте обнаружено, что многослойный оксид графена имеет механизм ингибирования трещин. Когда трещина начала расширяться, она не мгновенно распространилась на край пленки, как графен, но остановилась посередине. После того, как напряжение еще больше увеличилось, трещина распространилась на пленку. На краю этот механизм ингибирования трещины впервые обнаружен в двумерных материалах.
Кроме того, поскольку кривая напряжений и деформаций многослойного оксида графена нелинейна, теорема Гриффит-деления не может быть использована для расчета ее вязкости разрушения. В статье доказано, что применение теоремы Гриффита о трещине к нелинейным двумерным материалам не является Рациональность и указали, что вязкость разрушения нелинейных материалов должна быть рассчитана по теории J-интеграции, предложенной Хатчинсоном и Райсом. Команда вычислила графграфию с множеством графиков с помощью изображений электронной микроскопии HD с использованием метода конечных элементов и теории J-интеграла. Устойчивость к разрушению более чем в 3 раза выше, чем у однослойного чистого углеродного графена.
По методу моделирования молекулярной динамики команда Торонто указала, что потенциальная причина торможения трещин в многослойном оксиде графена: для одного слоя оксида графена, как только трещина начнет расширяться, он, естественно, будет преследовать более легко сломанные Углеродные атомы окисленной функциональной группы требуют большей энергии деформации, чтобы остановить расширение, когда они сталкиваются с связями SP2, которые требуют больше энергии для разрушения, тогда как графен не имеет окисляющих функциональных групп, он должен быть выше при тех же условиях. Кроме того, потенциальная причина более высокой вязкости разрушения многослойного оксида графена, чем чисто чистый чистый графен, заключается в том, что чистый углеродный графен имеет одинаковые трещины распространения в каждом слое. Для многослойного оксида графена из-за неупорядоченного распределения окисленных функциональных групп путь распространения трещины каждого слоя различен, в результате чего возникает необходимость в большей энергии деформации.
Таким образом, это исследование представляет собой теоретическую и экспериментальную основу для химического регулирования механических свойств двумерных материалов и направляет новые направления для подготовки двумерных материалов с повышенной вязкостью разрушения! Changhong Cao, Sankha Mukherjee, Yu Sun, Chandra Veer Singh, Tobin Filleter и др., Измерение нелинейной трещиностойкости и сопротивление распространению трещин функционализированных графеновых многослойных слоев.