中国科学技术大学微纳米复合材料研究所在聚合物-石墨烯异质结构界面力学研究中取得新进展

研究简介

研究团队首先利用原位 SEM 微机电系统推拉测试装置，对不同厚度的聚合物-石墨烯异质结构进行定量面内拉伸测试。结果表明，随着聚合物层厚度从 108 nm 降低至 15 nm，异质结构的弹性模量显著提高，并系统性偏离基于块体聚合物模量的经典混合法则预测。通过反算分析发现，在 15 nm 厚度下，聚合物层的有效模量可由块体聚碳酸酯的约 2.2 GPa 提高至约 16 GPa，说明聚合物层在强纳米限域和石墨烯界面约束共同作用下进入了不同于块体材料的力学状态。

图1 聚合物-石墨烯异质结构中的厚度依赖性模量增强

为了进一步理解这一异常强化机制，研究团队将聚合物-石墨烯异质结构与自由支撑聚合物超薄膜进行了对比。已有研究表明，自由支撑聚合物薄膜在强限域下可能由于表面迁移率增强、缠结密度降低和链间滑移而出现软化。然而，在聚合物-石墨烯异质结构中，连续石墨烯界面的存在改变了纳米限域对聚合物链承载方式的影响。厚度方向的几何限域增加了聚合物链段与石墨烯界面的有效接触，而石墨烯界面进一步促进了应变传递和界面约束增强，使聚合物层表现出明显的硬化行为。

图2 纳米限域与石墨烯界面共同调控聚合物链承载方式

原位拉曼光谱进一步揭示了界面应变传递的厚度依赖性。结果显示，15 nm 异质结构中石墨烯 2D 峰对应变的响应灵敏度显著高于 80 nm 样品，说明在强限域条件下，外加载荷能够更有效地从聚合物层传递至石墨烯层。需要指出的是，拉曼测试在多层聚合物-石墨烯层压结构中进行，其结果反映的是层状结构中的有效应变传递响应。由于不同厚度样品采用相同的制备和测试条件，其相对差异仍能够反映厚度对界面载荷传递能力的影响。

图3 原位拉曼表征揭示强限域下更高效的界面应变传递

随着界面载荷传递能力增强，异质结构的断裂行为也发生明显变化。108 nm 厚样品可承受约 27.2% 的失效应变，表现出明显的延性变形特征；而当聚合物厚度降低至 15 nm 时，断裂强度提高至约 1.4 GPa，失效应变降低至约 7.9%，表现出更强的脆性断裂特征。这表明，在强界面约束下，聚合物链滑移、屈服和裂纹钝化等耗能机制受到抑制，材料承载方式逐渐由聚合物塑性变形主导转向界面耦合和链拉伸主导。

图4 聚合物-石墨烯异质结构断裂行为的厚度依赖性演化

断裂后的 SEM 与拉曼 D 带映射进一步揭示了不同厚度异质结构中石墨烯损伤分布的差异。在 15 nm 超薄异质结构中，除裂纹边缘外，悬浮区域内部也出现更广泛的 D 带激活，说明石墨烯在更大区域内参与了承载并积累了应变诱导的结构扰动。相比之下，108 nm 厚样品中的 D 带信号更加局域，表明较厚聚合物层可通过链滑移、屈服和局部松弛耗散部分变形，使传递至石墨烯的有效应变更弱且更不均匀。

图5 从单个纳米异质单元到多层层压结构的跨尺度性能放大

   为了验证单个异质界面中的增强机制是否能够向宏观层状结构传递，研究团队进一步构筑了 20 层聚合物-石墨烯层压板。单轴拉伸测试表明，随着单层聚合物厚度降低，层压板的屈服强度显著提高，同时屈服应变系统性降低，与单个异质结构中观察到的机制演化一致。该结果说明，纳米异质界面中的限域增强和界面载荷传递效应可以在多界面层状组装体中累积放大，为设计高性能层状纳米复合材料提供了新的思路。