碳纤维是现代结构飞机的重要组成部分。嵌入到聚合物基体中，与竞争结构材料相比，它们通过单位重量提供显著的强度和刚度增益。在这里，我们使用拉曼G峰来评估碳纤维对应变的响应，并参考石墨烯本身的响应。我们的数据突出了平面内石墨烯性质在所有石墨结构中的优势。本文提出了一个通用的主图，它将所有类型的碳纤维和石墨烯的G峰应变灵敏度与拉伸模量联系起来。我们推导了轴向应力约为−5ω0−1（cm−1 MPa−1）时平均声子位移率的通用值，其中ω0是具有环形形貌的石墨烯和碳纤维在零应力下的G峰位置。讨论了这种方法在各种应用中的应力测量。
成果
图1：洋葱皮和径向CFs散射几何体的示意图。
（A）洋葱皮和（b）径向CFs结构的简化概念。表示应变轴，而ei和es分别表示入射光和散射光的方向。θin和θout是应变轴与入射光和散射光的电场矢量平面之间的夹角。x轴垂直于C–C键。ν是应变轴和x轴之间的角度（即石墨烯晶格相对于应变的方向）。Lc是CF微晶厚度（即石墨烯层数）。La | |和La⊥表示平行于和垂直于纤维轴的方向上的微晶宽度。ei在两个方向上绘制，用于实验（θin=0°和90°）。在（b）中，eip表示投影到石墨烯平面上的ei矢量，该平面围绕垂直轴以任意角度旋转。es仅在θout=0°时绘制。
图2：应变下的石墨烯。
（a） 石墨烯在0%（灰色）和1%（黑色）应变下在785nm激发下的G峰拉曼光谱。实心曲线是洛伦兹拟合。插图显示G和G+模式25的特征向量。（b） G（空矩形）和G+？（全矩形）是石墨烯嵌入聚合物梁中的张力峰位置。数据点是薄片上四个不同位置的平均值，误差条表示s.d.标记线表示悬浮石墨烯的计算值（见正文）。插图显示了测量薄片的光学显微照片。比例尺，10μm。箭头指示应变方向。
图3：应变下的CFs。
（a）HM纤维在0（G+D’，灰色）和1%（G+G+-+D’，黑色）应变下的拉曼G带区域，以及（b）P55纤维在0（G+D’，灰色）和0.8%（G+D’，黑色）应变下的拉曼G带区域。这些线是洛伦兹拟合的实验光谱，其中虚线代表个别波段。a中的红色实线表示仅使用单个G峰在1%应变下与HM纤维的洛伦兹拟合。
图4:CFs中应变下G带的位置。
（a）HM和（b）P55-CFs的拉曼G带位置。当θin=0°和θout=0°时，正方形表示作为单个洛伦兹函数拟合的位置（G）。在a中，菱形对应于θIn=0°时的G（满）和G+/（空）位置。直线表示与实验数据的最小二乘拟合（θin=0°的实线和θin=90°的虚线-在后一种情况下，为清晰起见，不显示数据点）。插图显示了作为单个洛伦兹函数拟合时各G峰的半高宽。误差条表示给定应变水平上所有测量的s.d。
图5∂ωG/∂ɛ作为拉伸模量函数的主图。
黑色实线和虚线对应于石墨烯的实验数据拟合。黑色和红色三角形分别对应于本工作和参考文献25中测量的石墨烯G子带值。在红色中，实心方形点对应于A组纤维，实心圆对应于B组，开口圆对应于C4组，而菱形对应于MPP CFs，星形对应于各种PAN-CFs18。在黑色中，测量了HM（空正方形）、IM（全圆）、P25（全菱形）和P55（空菱形）CFs的数据点。黑色空三角形显示HM-CF G带分裂及其在石墨烯平均线上的投影。插图显示A组（∂ωG/∂σ=3 cm−1 GPa−1）、B组（2.3 cm−1 GPa−1）和MPP CFs（1.5 cm−1 GPa−1）的∂ωG/∂σ最小二乘线拟合为虚线。插图中的其他符号与主情节中的含义相同。误差条表示给定光纤上所有测量值的s.d。
总结
综上所述，利用石墨烯中G峰位移和单轴应变劈裂的知识来解释各种CF类型的力学响应。对于偏振测量，精确测定G峰位移和应力分裂是评估石墨烯单元（或堆叠）相对于纤维（应变）轴的平均方向，以及在某些情况下相对于光学蒙皮模量的平均方向的途径。通过比较石墨烯和碳纤维的结果，建立了石墨材料G峰位移与应力或应变的通用关系图。换言之，声子变形（原子尺度）以相同的方式标度到施加应力（宏观尺度）范围内具有不同模量但相关形貌的CFs。我们估计应力约为−5ω0−1 cm−1 MPa−1时，无论模量如何，平均G峰值位移的通用值。这可能导致在CF复合材料制成的结构（机身等）内安装传感器，将拉曼位移转换为应力。
文献信息
Frank, O., Tsoukleri, G., Riaz, I. et al. Development of a universal stress sensor for graphene and carbon fibres. Nat Commun 2, 255 (2011). https://doi.org/10.1038/ncomms1247
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