通过孔隙设计增强了多晶石墨烯的延展性和韧性

《Diamond and Related Materials》：Enhanced the ductility and toughness in polycrystalline graphene through pore design

多晶石墨烯的孔隙结构与晶界工程对其力学性能的影响研究通过分子动力学模拟系统揭示了晶粒尺寸、孔隙率和孔隙排列方式对断裂强度、杨氏模量和断裂韧性的调控机制，证实优化孔隙排列可显著提升材料抗拉强度和断裂韧性。

　　

顾正炎|王帅伟

中国河南省纳米复合材料与应用重点实验室，纳米结构功能材料研究所，黄河科技学院，郑州，450006

摘要

韧性是柔性电子材料中的一个关键参数。然而，石墨烯表现出脆性断裂行为，因此提高其韧性一直是一个持续的挑战。在这项工作中，我们创新性地建立了一个包含多个孔隙缺陷的多晶石墨烯拉伸模型，并利用分子动力学模拟系统研究了晶粒尺寸、孔隙率和孔隙排列对其强度和韧性的影响。本研究的主要创新在于揭示了孔隙结构与晶界工程结合在提高石墨烯韧性方面的显著作用，并进一步证明了优化的孔隙排列可以增强其整体机械性能。结果表明，随着晶粒尺寸的增加，多晶石墨烯的断裂强度、杨氏模量和断裂应变均有所下降。随着孔隙率的增加，断裂强度和杨氏模量均降低，而断裂应变最初几乎不变，随后迅速上升。断裂韧性先降低后增加。这一趋势主要归因于多个孔隙之间的晶界错位，导致应力分布不均匀，有效延缓了裂纹扩展，突显了所提出方法在增韧方面的独特优势。此外，还研究了不同孔隙排列的影响。研究发现，具有正方形（AA）孔隙排列的多晶石墨烯在断裂强度、断裂应变、断裂韧性和杨氏模量方面明显优于具有三角形（AB）排列的多晶石墨烯。这些发现为设计高性能柔性电子材料中的石墨烯基材料提供了明确的指导，显示出在需要同时满足机械强度和可变形性的场景中的强大应用潜力。

引言

作为一种典型的二维碳基材料，石墨烯已广泛应用于纳米传感器和纳米电子设备等领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。然而，在拉伸载荷下，石墨烯表现出脆性断裂模式[8]，这限制了其在柔性设备中的应用。为了确保柔性可穿戴纳米电子设备的功能性，这些材料需要在应变下表现出延性响应[9]。因此，研究碳基材料的机械性能的可调节性和可编程性已成为柔性设备的关键因素。因此，如何通过结构设计来提高石墨烯的韧性是研究人员非常关注的科学问题。

为了提高基于石墨烯的材料的强度和韧性，人们提出了许多策略。受到剪纸艺术的启发[10]、[11]，剪纸石墨烯结构的设计已被证明可以显著提高拉伸强度和弯曲刚度[12]。Han等人[11]研究了不同形状的剪纸石墨烯结构的机械性能。与矩形、椭圆形和菱形孔洞的比较分析表明，花生形状的设计在强度、刚度和延性之间取得了更好的平衡。Akbarzadeh等人[13]设计了分级石墨烯和碳纳米管结构，并研究了它们的可调机械-热性能。他们的研究发现，剪纸纳米结构设计能够调节石墨烯的应力-应变响应和热导率。此外，Gu等人[14]利用分子动力学模拟研究了缺陷工程对石墨烯机械性能的影响。该研究表明，通过有意的缺陷设计，石墨烯具有高度可调的机械性能。Yang等人[15]研究了温度对图迪恩纳米卷曲体机械行为的影响，发现温度可以诱导从脆性断裂到延性断裂的转变。Chen等人[16]通过孔洞设计调节了单晶石墨烯的断裂强度、断裂应变和断裂韧性。Zhao等人[17]研究了孔洞设计对石墨烯机械性能的影响，表明这种设计可以改变石墨烯的断裂行为，使其从脆性断裂转变为延性断裂。Gao等人[18]研究了裂纹尺寸与石墨烯断裂强度和韧性之间的关系。他们的结果表明，较大的裂纹尺寸会导致孔隙处的应力集中更加明显，并且最终强度值更高。尽管结构设计可以调节石墨烯的机械性能，但上述研究主要基于无缺陷的石墨烯基材料。此外，Gao[19]和Sha[20]研究了单个孔隙对多晶石墨烯断裂行为的影响。现有研究表明，当前研究主要集中在单晶石墨烯的机械性能以及单个孔隙或晶界对其机械行为的影响上。然而，以下问题仍有待进一步探索：(1) 多个孔隙如何共同影响多晶石墨烯的机械性能；(2) 孔洞设计是否可以增强材料的断裂韧性；(3) 在相同孔隙率下，孔隙排列对多晶石墨烯机械性能的影响；(4) 是否可以提出一种系统策略将结构设计转化为机械性能的提升。因此，研究多个孔隙如何调节多晶石墨烯的机械性能具有更大的实际意义。

本文研究了多个孔隙对多晶石墨烯机械性能的影响，包括孔隙排列、孔隙率和晶粒尺寸的影响。首先，研究了晶粒尺寸对多晶石墨烯断裂强度和韧性的影响。随后，系统分析了孔隙率对机械性能的影响，同时考虑了孔隙排列对断裂强度和韧性的影响。最后，通过分析不同应变水平下多晶石墨烯的断裂形态，揭示了其韧性增强的机制。这些发现有助于更深入地理解孔洞设计与多晶石墨烯机械性能之间的内在关系，为柔性电子设备和分离膜的结构设计提供了宝贵的参考。

计算模型和方法

基于实验观察到的多晶石墨烯及其孔隙边缘形态[21]、[22]，我们建立了无缺陷和含孔隙的多晶石墨烯模型，如图1所示，并进行了实验对比（图1(e-f)）。从图中可以看出，我们多晶石墨烯模型中的孔隙结构和边缘形态与实验观察结果非常吻合。图1a和b分别展示了两种不同晶粒尺寸的模型。

结果与讨论

本节研究了晶粒尺寸、孔隙率、应变率和孔隙排列对多晶石墨烯机械性能的影响。

结论

本研究系统研究了晶粒尺寸、孔隙率、孔隙排列和应变率对含有多个孔隙的多晶石墨烯机械性能的影响。主要发现总结如下：(1) 晶粒尺寸效应：对于多孔多晶石墨烯，较大的晶粒尺寸会导致最终强度的增加，而杨氏模量和断裂韧性则降低。断裂应变在很大程度上独立于晶粒尺寸的变化。

作者贡献声明

顾正炎：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理。王帅伟：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、研究、形式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了黑龙江科技大学高层次人才引进研究启动项目（项目编号：HKDQDJ202432）的财政支持。