为什么石墨烯令人难以置信的拉伸强度从横向薄片中的~30微米开始….？

作者： 阿坎莎乌拉德（IIT鲁尔基和石墨烯博士学者，2D材料科学作家）

石墨烯的横向尺寸和分散性对于石墨烯-高分子复合材料的性能至关重要。为了在聚合物复合材料中利用石墨烯的高力学性能，有利于形成大尺寸和低结构缺陷的石墨烯。本文旨在阐明为什么大尺寸石墨烯片（GF）对于坚固的机械增强至关重要。

石墨烯片横向尺寸的作用

近年来，石墨烯填料由于其高纵横比和出色的机械强度（即130 GPa的拉伸强度和1 TPa的弹性模量）而被大量用于机械增强原始聚合物。

然而，在设计基于石墨烯的复合材料时，考虑石墨烯片（GF）的横向尺寸对石墨烯- 聚合物复合材料的机械增强的影响至关重要。据报道，较大的石墨烯片（通常>30 μm）改善了填料与基质的接触面积，在填料-基质界面处显示出良好的应力传递效率，最重要的是，更好的裂纹桥接。

简单地说，当石墨烯作为填料加入聚合物复合材料中时，随着石墨烯量的逐渐增加，所得的聚合物网络逐渐相互连接。当它达到临界浓度（称为渗流阈值）时，石墨烯和聚合物之间会产生机械有效的网络。因此，较大的横向尺寸导致渗滤阈值低得多，因为石墨烯和基质之间的接触面积显着增加。因此，与传统填料（如碳纳米管和炭黑）相比，在基质上建立渗透途径所需的石墨烯（<10重量%）要少得多。

需要注意的是，将石墨烯含量提高到渗流阈值以上将导致机械增强效率的减弱，因为较大的GF在较高的负载百分比下形成更多的折叠形貌，这也可能导致由于堆叠而更容易形成团聚物。这意味着与其他石墨烯衍生材料相比，只需要少量大的、薄的和无缺陷的石墨烯薄片即可实现高机械强度。

使用大型GF增强机械加固的研究实例

为了给您一些研究实例，瑞士功能聚合物实验室的专家系统地评估了片尺寸为5μm和25μm的横向尺寸对环氧聚合物中石墨烯强化机理的影响。根据他们的发现，含有2wt%石墨烯纳米片的石墨烯 – 环氧复合材料，平均尺寸大于25μm，在分形韧性方面比纯环氧树脂高出82%。另一方面，横向直径为5 μm的GF仅显示出36%的增强。

在另一项研究中，大连理工大学的研究人员报告说，对于给定的石墨烯负载，增强效果随着石墨烯片尺寸的减小而降低。他们证明，在水泥复合材料中掺入横向尺寸为>50μm的石墨烯，与较小的片状尺寸（<5μm）相比，<0.5%的石墨烯用量，可分别将压缩韧性和抗压强度提高95.7%和43.5%。

这些发现与康斯坦丁·诺沃塞洛夫教授及其同事在《先进材料》杂志上发表的一篇论文完全一致。他们预测，在进行有效的增强之前，将需要非常大的原始石墨烯薄片（>30μm）。

横向尺寸较小的石墨烯片片能否具有较高的机械强度？

我相信你可能想知道，如果我们的GF横向尺寸小于30μm，会发生什么。好吧，参考诺贝尔奖获得者Novocelov教授的上述工作，研究人员表明，通过原始石墨烯增强聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的关键横向尺寸从3μm开始，并在超过30μm处达到关键的“临界点”，以实现有效的增强。

然而，关于大面积GF可以提高机械质量的机制和程度，存在许多悬而未决的问题。显然，需要更全面的分析来确定GF尺寸与其机械性能之间的联系。

展望

当集成到聚合物中时，有缺陷的石墨烯薄片固有的结构缺陷限制了它们的增强能力并削弱了它们的机械特性。因此，原始石墨烯片（一种无缺陷类型的石墨烯）最近引起了极大的兴趣。然而，过度的超声处理和机械去角质不可避免地导致石墨烯碎裂，限制了大尺寸原始薄片的产生。为了应对这些问题，Avadain建立了一种经济高效且可持续的方法，用于生产大型（平均μm² 55至100μm ²），薄（平均1nm）和几乎无缺陷的石墨烯薄片。这为石墨烯在需要苛刻机械强度的应用中的更广泛应用打开了大门。

引用

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