A simple and prompt measurement of mechanical properties of grap...
石墨烯是一种二维晶体材料,由sp2杂化化的碳原子组成,具有许多卓越的物理性质。近年来的研究发现,石墨烯拥有高热导率(高达5000Wm-1K-1)、在室温下具有高电荷载体迁移率(高达15000cm2V-1s-1)和计算得出的比表面积高达2630m2g-1,这些特性为石墨烯在基于石墨烯的复合材料、纳米器件、能量存储材料等领域的应用提供了广阔的前景。 然而,相比于石墨烯物理化学性质的评价,其机械性能的测量更加困难,这主要是因为现有技术的局限性。迄今为止,对石墨烯的机械性能测试主要通过使用原子力显微镜(AFM)的尖端进行纳米压痕来进行。石墨烯的弹性模量是通过压头在自由悬浮的石墨烯薄膜上施加力时从载荷-位移曲线计算得出的,其值显示与块状石墨的弹性模量相似,大约为1.0±0.1TPa。 本文介绍了一种利用纳米压痕仪简单有效地测量石墨烯机械性能的方法。实验所用的石墨烯厚度为1-7微米(少于5层)。实验结果显示石墨烯层对纳米压痕表现出明显的响应,这是由于其高强度和大弹性模量。实验数据表明,在修正了衬底效应后,单层石墨烯的弹性模量为0.98TPa,与当前实验和理论值相符,随着层数的增加,机械性能逐渐降低。 关键词:石墨烯;纳米压痕;机械性能;弹性模量。 纳米压痕技术是一种精密的材料表征技术,它可以在微米甚至纳米尺度上测量材料的硬度、弹性模量等机械性能参数。纳米压痕仪通常配备有高分辨率的位移和载荷传感器,可以对样品施加极小的力并精确测量在纳米尺度上的压痕深度。这种方法不仅可以测量材料表面的硬度,还可以测量其模量和其他力学参数,如屈服强度和断裂韧性等。 石墨烯作为一种新型二维材料,其独特的晶体结构和出色的物理化学特性使其在众多领域具有潜在应用价值。由于石墨烯仅由一层碳原子构成,因此其机械性能受到特别关注,特别是其弹性模量和断裂强度,这些性能参数对于预测材料在实际应用中的行为至关重要。 本文所提及的研究工作着重于通过纳米压痕技术直接测量石墨烯的机械性能,特别是弹性模量。这一技术的使用基于测量材料在受到压痕过程中的应力-应变响应。使用这种技术能够获取石墨烯在极小尺度下的力学行为数据,有助于了解材料在微观层面的力学特性。 测量结果表明,单层石墨烯具有极高的弹性模量,这与之前的研究结果相一致。然而,随着石墨烯层数的增加,其机械性能表现出一定的下降趋势,这可能与石墨烯层间相互作用力的变化和堆叠方式有关。这些研究结果对于理解石墨烯在不同应用条件下的表现以及石墨烯复合材料的设计都具有重要意义。 在纳米科技领域,准确测量和理解石墨烯等二维材料的机械性能对于开发新器件、优化制造工艺和预测材料的耐用性都至关重要。未来的研究可能会进一步探究石墨烯的机械性能与其微观结构之间的关系,以及通过不同的制备方法和处理手段如何能够改善或调整这些性能,以适应各种实际应用。
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