石墨烯/基底界面力学性能的测试方法与实验表征

The discovery of grapheme redefined people’s perception of mechanical properties of existing materials. Owing to its exotic mechanical, electronic and physical properties, grapheme is superior to many conventional materials. It is of critical importance to conduct interdisciplinary fundamental research on grapheme. Some progress has been made in the theoretical calculation and computer simulation to study the mechanical properties of grapheme. On the other hand, experimental studies are in their infancy stage. Due to limitations on measurement technologies and loading methods, it is a great challenge to realize accurate measurement on the mechanical properties of grapheme. This project aims to advance spectroscopy-based mechanical measurement technology and to develop micro-loading devices, so as to achieve high-resolution measurement. Based on spectroscopic measurement and image analysis, we will study in detail various properties, such as layer, defects and residual forces, hence solving the existing “measurement uncertainty” problems in current experiments. Based on accurate measurement, we will research on various aspects of grapheme/substrate interfacial properties in order to gain more insights into the microscopic mechanism about the mechanical properties of such interface.

石墨烯的出现突破了人们对已有材料体系力学性能的认知水平，其展示出很多新奇的超越目前常规材料的力学、电学、物理学等的性能。围绕石墨烯材料开展力学与多学科交叉的基础研究具有重要意义。有关石墨烯力学问题的理论研究与数值计算工作已经取得进展，实验工作尚在起步阶段，受到测量技术与加载方式的限定，实现力学参数准确测量是目前石墨烯研究中的具有挑战性难题。本申请项目拟发展谱线类石墨烯力学测试技术，研制与谱线测量配套的微加载实验装置，实现对石墨烯应变的高分辨测量；在谱线测量的基础上结合图像信息，细化材料的（层数、缺陷、残余应力等）特征信息，解决目前实验数据“测不准”的问题。在准确测量的基础上，针对典型石墨烯/基底界面力学问题开展多尺度多信息的实验研究，增进对石墨烯/界面力学性能的微观机制和基本规律的认识。

本项目围绕石墨烯等纳米材料力学测试新装置、实验新技术、表征新方法开展研究，聚焦目前纳米力学实验中存在的数据分散度大以及“测不准”等突出问题，以石墨烯材料与构件为主要研究对象，从高分辨测量技术、加载装置系统与材料特性精细表征三个方面开展实验研究，取得的主要成果如下：. 1）发展了石墨烯拉曼光谱力学实验测试技术，完善了其拉曼光谱应力/应变测量理论，编制了拉曼谱线优化处理软件，提高了数据处理效率与准确度，为石墨烯材料力学性能高分辨测量提供了技术支撑。. 2）搭建了双向加载以及电化学环境原位实验系统：设计了拉曼光谱系统下力加载装置和原位电化学电池装置，建立了石墨烯材料与构件的原位拉曼力学实验平台，开展了力加载下和化学环境中石墨烯等的力学性能测试系列实验研究。. 3）建立了较为系统的石墨烯/基底界面力学性能实验方法，该方法可提取基底脱粘应变、极限应变、临界长度、相对临界长度、切向界面强度和黏着能等界面力学性能参数，实现了石墨烯构件界面力学性能准确表征，为界面力学性能实验探究提供了便于应用的实验方法。. 4）针对目前实验数据分散性和测不准的问题，系统实验探究了石墨烯/基底界面力学问题的影响要素：a）设计了跨越宏/微观的八种不同尺寸试件；b）提出了循环载荷“训练”提高界面贴合度的实验设计；c）开展了7种剥离速率下构件黏着能测试实验；d）设计了三种堆叠方式双层石墨烯构件。实验结果显示试件尺寸、界面贴合度、加载速率和搭接方式均显著影响石墨烯/基底界面力学性能，解释了目前实验测量数据的分散性和测不准问题。. 本项目在石墨烯材料实验力学研究中取得了新进展，增进了纳米材料力学新问题和微观变形机制的认识，为开展纳米材料实验力学研究提供了新思路与技术平台。研究成果发表高水平SCI论文12篇（6篇1区，5篇2区，1篇3区）、英文书籍1章、发明专利2项（1项授权1项申请中）、获得软件著作权1项，成果得到同行学者积极引用与正面评价。