石墨烯/高分子纳米复合材料中的应力传递现象研究

Due to the unique two-dimensional structure and excellent mechanical properties, graphene has attracted much interest in developing polymer-based nanocomposites. However, one of the prerequisites to prepare mechanically enhanced graphene/polymer nanocomposites is to guarantee the controlled interface between matrix and reinforcement so that the load can be transferred effectively from polymer to graphene via an interface. This proposal aims to study the stress transfer in graphene/polymer nanocomposites under various loading conditions. Different techniques, including micro-Raman spectrometry, nanoindentation as well as atomic force microscopy, will be employed in an effort to reveal the effect of microstructure and properties of interface on the mode and efficiency of stress transfer in nanocomposites. A particular emphasis will be put to establish the correlation between the micro-mechanics of interface and macro-mechanics of bulk nanocomposites. The anticipated outputs of this proposal will provide guidelines for the design, preparation and property optimization of graphene/polymer nanocomposites for various applications.

石墨烯由于具有独特的二维结构和优异的力学性能，在高分子纳米复合材料领域引起了广泛的研究兴趣。但是成功利用石墨烯制备高性能纳米复合材料需要保证基体和增强相之间可控的界面以便将应力从高分子传递到石墨烯。本项目拟采用显微拉曼光谱并结合现代力学测试手段（纳米压痕、原子力显微技术等），研究石墨烯/高分子纳米复合材料中的应力传递现象，探索负载条件下应力从基体向石墨烯传递的方式和规律，揭示石墨烯和高分子基体之间的界面微观结构和性质对应力转移方式以及传递效率的影响，建立材料的微观界面结构与宏观力学性能之间的关系，为石墨烯/高分子纳米复合材料的设计、制备以及性能优化提供依据。

石墨烯由于具有独特的二维结构和优异的力学性能，在高分子纳米复合材料领域引起了广泛的研究兴趣。但是成功利用石墨烯制备高性能纳米复合材料需要保证基体和增强相之间可控的界面以便将应力从高分子传递到石墨烯。本项目开展石墨烯/高分子纳米复合材料中的应力传递/转移现象的研究，主要研究内容包括：1）采用不同方法制备了具有大比表面积的石墨烯杂化材料，并研究了材料在有机化合物的吸附、能源存储等领域的应用可行性；2）采用显微拉曼光谱技术研究了石墨烯/高分子纳米复合材料在热应力条件下拉曼峰位置和强度的变化情况，建立起石墨烯特征峰位置和材料热应变之间的关系；3）采用自浸润技术并结合物理吸附法制备了含石墨烯的三维高分子纳米复合材料，研究发现材料具有独特的压阻效应，并以此为纳米复合材料基础研发出柔性应变传感器件；4）利用自行研发的扫描电镜-微型原位力学测试装置，研究了界面结构对石墨烯/高分子纳米复合材料微观断裂行为的影响，并从不同角度对纳米复合材料的力-电耦合行为进行了解释。通过上述研究，揭示出石墨烯和高分子基体之间的界面微观结构和性质对应力转移方式以及传递效率的影响，并建立起界面结构和性质与纳米复合材料力学、电学等宏观性能之间的关系，在分子水平层面为石墨烯/高分子纳米复合材料的设计、制备及性能优化提供新的认识和理解。.本项目在执行期间，课题组科研人员完成专著章节1篇，发表SCI 论文10 篇，申请专利2件，先后7次参加国内外学术会议并作会议发言，其中3次为邀请报告。依托本项目培养研究生5名，其中博士生4名、硕士生1名，团队成员获得各种奖励共计7项。鉴于在化学科学研究领域取得的出色成就以及为推动化学科学应用和发展做出的卓越贡献，项目负责人2018年当选为英国皇家化学会会士（FRSC）。