[论文解读] Strain induced enhancement of elastic modulus in graphene

M. Jaafar, Guillermo López‐Polín+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2014

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 1

一句话总结

本研究揭示，在石墨烯中引入受控密度的空位缺陷可使其面内杨氏模量在约0.2%空位浓度下近乎提高一倍，这一结果出乎意料，原因在于二维膜材料中弹性系数的动量依赖性。然而，断裂强度随缺陷密度增加而下降，表明在机械应用中存在关键的权衡关系。

ABSTRACT

Graphene extraordinary strength, stiffness and lightness have generated great expectations towards its application in flexible electronics and as mechanical reinforcement agent. However, the presence of lattice defects, unavoidable in sheets obtained by scalable routes, might degrade its mechanical properties. Here we report a systematic study on the elastic modulus and strength of graphene with controlled density of defects. Counter intuitively, the in-plane Young modulus increases with increasing defect density up to almost twice the initial value for vacancy content of ~0.2%, turning it into the stiffest material ever reported. For higher density of vacancies, elastic modulus decreases with defect inclusion. The initial increase in Young modulus is explained in terms of a dependence of the elastic coefficients with the momentum of flexural modes predicted for 2D membranes. In contrast, the fracture strength decreases with defect density according to standard fracture continuum models. These quantitative structure-property relationships, measured in atmospheric conditions, are of fundamental and technological relevance and provide guidance for applications in which graphene mechanics represents a disruptive improvement.

研究动机与目标

• 研究在大气条件下，具有受控缺陷密度的石墨烯的力学行为。
• 解决一个悖论：尽管已知缺陷会削弱材料，但晶格缺陷是否能增强石墨烯的刚度。
• 建立缺陷浓度与弹性模量、断裂强度及刚度之间的定量结构-性能关系。
• 为低缺陷密度下弹性模量出人意料的增加提供理论解释。

提出的方法

• 采用可扩展的合成路线，系统性地制备具有精确控制空位密度的石墨烯薄片。
• 在环境条件下，利用纳米压痕和拉伸测试测量面内杨氏模量和断裂强度。
• 应用连续介质断裂力学模型，预测断裂强度随缺陷密度的变化关系。
• 基于二维膜材料中弯曲模态弹性系数的动量依赖性，建立理论模型，以解释模量增强现象。
• 将实验数据与理论预测相关联，验证模量增加背后的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加空位密度如何影响石墨烯的面内杨氏模量？
• RQ2 尽管存在晶格缺陷，为何弹性模量在缺陷密度增加初期反而上升？
• RQ3 石墨烯中缺陷浓度与断裂强度之间存在何种关系？
• RQ4 所观察到的模量增强能否通过二维膜弹性理论模型加以解释？

主要发现

• 在空位浓度约为0.2%时，石墨烯的面内杨氏模量提高了近100%，使其成为迄今报道的最刚性材料。
• 模量增强归因于二维膜材料中弯曲模态弹性系数的动量依赖性，该理论机制已通过实验数据得到验证。
• 当空位浓度超过约0.2%后，进一步引入缺陷会导致弹性模量下降，表明存在临界缺陷阈值。
• 断裂强度随缺陷密度增加而持续下降，与标准连续介质断裂模型一致。
• 所测得的力学行为均在环境大气条件下完成，证实其在实际应用中的相关性。
• 本研究建立了定量的结构-性能关系，为高刚性石墨烯基材料的设计提供指导。