纳米多孔石墨烯网络力学性质的尺寸效应

石墨烯结合了优异的力学和电学性质，以其为结构单元构建的宏观体在微纳机电系统、复合材料、储能器件中具有广阔的应用前景。目前已有文献报道石墨烯纸、石墨烯气凝胶、石墨烯纤维等宏观体，表现出各不相同的机械性能，与单片石墨烯力学性质尚有较大差距。理论模拟表明，三维多孔石墨烯组装体在较高密度下可能比钢具有更高的比强度。但是，对于石墨烯组装体的变形机制、本征结构影响和尺寸效应等基本问题，还鲜有实验研究与报道。

近日，日本国立材料科学研究所的Dmitri Golberg教授、重庆大学的张玲教授、天津大学的杨全红教授（共同通讯作者），与中科院应用物理所、中科院金属研究所、清华大学深圳研究生院等单位合作者的国际团队，在Adv. Funct. Mater上发表了题为“纳米多孔石墨烯网络力学性质的尺寸效应”的论文。以高密度、纳米孔石墨烯宏观体(HPGM)作为模型材料研究了石墨烯网络的力学性能和行为，尤其是石墨烯片层间相互作用和样品尺寸的影响。原位纳米压痕测试表明，高温退火可有效增强石墨烯层间的相互作用，促使塑性的HPGM转变成高弹性的石墨烯网络。电子显微镜内微米柱和纳米柱的原位压缩实验揭示出HPGM力学性质强烈的尺寸效应。随着样品尺寸减小到100 nm尺度，模量和强度分别大幅提高至30 GPa和2 GPa以上。分子动力学模拟揭示了包括石墨烯片层滑移、弯曲、屈曲、孔结构塌陷等阶段的变形机理。伴随尺寸减小，HPGM发生了脆性到韧性的转变，可通过尺寸相关的体积变形能与临界膨胀能的竞争来理解。

作者团队通过纳米压痕、原位SEM和TEM压缩实验研究了纳米多孔石墨烯三维网络HPGM的力学性能，重点考察了内在结构和外在尺寸的影响。高温退火可以提升石墨烯网络的层间相互作用，导致其力学行为从高塑性转变成高弹性。随着尺寸的减小与弱连接数量的减少，石墨烯网络的模量和强度得到大幅提高，并发生从脆性向韧性的转变。由于尺寸增强效应，其抗压强度达到1.7 GPa，同时屈服应变约15%。本工作揭示的力学性质尺寸效应在单层石墨烯和石墨烯宏观体之间搭起了桥梁，有益于石墨烯作为基本结构单元的碳材料和器件在多尺度上的设计与应用。