石墨烯界面力學(xué)行為的表征與調(diào)控研究.pdf

1、石墨烯擁有獨(dú)特的二維晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼具力、電、光、熱等諸多優(yōu)異的物理特性，因此在納米復(fù)合材料、柔性電子器件、微納機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)理論指出，材料、器件的宏觀功能表現(xiàn)很大程度上依賴其界面的結(jié)合力和穩(wěn)定性。而當(dāng)材料尺寸降至納米尺度后，原本微弱的非經(jīng)典力作用（如范德華力、靜電力等）變得更加不可忽略，甚至在變形行為中占據(jù)主導(dǎo)地位，使得界面力學(xué)問題更加顯著。另一方面，石墨烯由于具有原子級的厚度以及超高的比表面積，相比于傳統(tǒng)材

2、料將引入更多界面相面積，對界面作用力也更加敏感，因此石墨烯也是研究納米尺度界面摩擦和粘附特性的一個(gè)理想選擇。本文發(fā)展了一個(gè)多尺度的實(shí)驗(yàn)檢測平臺，即宏觀上實(shí)施可控的變形加載，細(xì)觀上觀測顯微形貌的演化，微觀上測量材料局部的應(yīng)變響應(yīng)，進(jìn)而針對石墨烯與不同材料基底的界面力學(xué)性能和行為展開了相關(guān)研究，具體研究內(nèi)容如下:
　　1、研究了單層石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯材料體系在軸向拉伸變形過程中的微觀界面力學(xué)行為。利用拉曼光譜記錄石墨烯在不同應(yīng)變

3、下的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)合非線性剪滯模型分析彈性變形和剪切滑移兩個(gè)階段的應(yīng)力傳遞，獲取界面剪切強(qiáng)度、界面剛度等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，探討了多次循環(huán)加載條件下界面穩(wěn)定性，并利用原子力顯微鏡表征變形過程中表面形貌的演化，分析界面性能改變的微觀機(jī)制。進(jìn)一步，通過化學(xué)修飾的方法改變石墨烯與基體的鍵合作用類型，修正非線性剪滯模型指導(dǎo)界面力學(xué)性能的微觀調(diào)控，最終尋求界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　2、研究了聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯“三明治

4、”結(jié)構(gòu)體系在雙向壓縮變形過程中的微觀界面力學(xué)行為。利用拉曼光譜探測石墨烯在不同應(yīng)變下的力學(xué)響應(yīng)，揭示其微觀變形演化的三個(gè)階段，即彈性壓縮變形階段，歐拉屈曲變形階段以及界面局部脫粘階段。在彈性壓縮變形階段，結(jié)合宏觀力學(xué)載荷和微觀局部應(yīng)變，推算石墨烯的表觀壓縮模量。在歐拉屈曲變形階段，分析尺寸和層數(shù)對臨界屈曲應(yīng)變的影響，并探究其在多次循環(huán)加載條件下的界面穩(wěn)定性。對于界面局部脫粘階段，利用拉曼光譜表征界面的失效模式，建立力學(xué)模型描述其微觀力學(xué)

5、行為，提取臨界脫粘應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)。
　　3、研究了鼓泡變形過程中單層石墨烯與硅基底的界面力學(xué)性能。發(fā)展了基于微孔鼓泡-探針技術(shù)-拉曼光譜聯(lián)用的力學(xué)檢測平臺，其中利用原子力顯微鏡表征孔內(nèi)石墨烯的離面位移，采用拉曼光譜監(jiān)測孔外界面剪切作用區(qū)域的可控?cái)U(kuò)展。在Hencky解的基礎(chǔ)上，考慮孔外界面的剪切變形，修正了邊界條件，建立力學(xué)模型解析石墨烯與硅基底之間的界面剪切應(yīng)力。同時(shí)，通過調(diào)控壓力載荷使界面產(chǎn)生脫粘，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程和能量分析

6、，推算其界面粘附能。利用原子力顯微鏡觀測鼓泡脫粘后的形貌演化，揭示界面剪切滑移變形與邊界條件對脫粘行為以及鼓泡形貌的影響。
　　4、研究了多層石墨烯層間界面力學(xué)性能的測量與調(diào)控?；谏鲜隽W(xué)檢測平臺，對雙層石墨烯實(shí)施可控加載，并臨測孔外石墨烯層間剪切作用區(qū)域的擴(kuò)展。結(jié)合修正的Hencky理論，首次實(shí)現(xiàn)雙層石墨烯層間剪切應(yīng)力的精確測量。利用超低波數(shù)拉曼光譜探測多層石墨烯的剪切振動(dòng)模，結(jié)合線性鏈模型擬合獲得層間剪切力常數(shù)，并推算層間剪