石墨烯疲劳现象

资料的疲惫损坏没有显着的征兆，研讨疲惫行为对评价资料可靠性至关重要。而二维资料是否会表现出疲惫现象、损害机制是什么均不清楚。本文发现在均匀应力为71 GPa，应力改变规模为5.6 GPa下，疲惫寿数能够超越10^9周次，这种应力水平至少比高强度钢和航空航天铝合金的微观疲惫试验高出一个数量级。

一般，资料在远低于抗拉强度的循环载荷效果下会发生机械疲惫，因此研讨疲惫行为对评价处于长时刻动力载荷下的资料可靠性至关重要。现在二维资料(2D)的疲惫寿数和损害机理尚不清楚。近日，加拿大多伦多大学的研讨者对独立式(freestanding) 二维资料，特别是石墨烯和氧化石墨烯(GO)进行了疲惫研讨。使用原子力显微镜研讨发现，当均匀应力为71 GPa，应力改变规模在5.6 GPa时，单层和多层石墨烯的疲惫寿数超越10^9循环周次，比迄今为止报导的任何资料都要高。

疲惫损坏特点

突然性：开裂时并无显着的微观塑性变形，开裂前没有显着的预兆，而是突然地损坏；
低应力：疲惫损坏在循环应力的最大值，远低于资料的抗拉强度或屈服强度的情况下就能够发生；
重复载荷：疲惫损坏是屡次重复载荷效果下发生的损坏，它是较长时刻的交变应力效果的结果，疲惫损坏往往要经历一定时刻，与静载下的一次损坏不同；
缺点灵敏：疲惫对缺点（例如缺口、裂纹及组织缺点）十分灵敏，因为疲惫损坏是从部分开端的，所以它对缺点具有高度的选择性；

疲惫断口：疲惫损坏能清楚地显现出裂纹的发生、扩展和最后开裂三个组成部份。
二维资料(2D)现已广泛应用于机械和电子范畴，这些范畴中资料常受循环应力的影响。但是，在这些原子级薄膜资料是否会表现出疲惫现象还不清楚。假如出现疲惫，又会衍生出以下问题：疲惫寿数是多少？潜在的损害机制是什么？虽然对石墨烯等2D资料的固有疲惫行为缺少了解，但微观研讨现已证明，即便只添加少数(<1wt%)石墨烯，也能将聚合物基复合资料的疲惫寿数进步约——1-2个数量级。

研讨者借用原子力显微镜对石墨烯和氧化石墨烯进行疲惫研讨。石墨烯的疲惫曲线(图2a)显现，当Fdc从——80%削减到——50%时，疲惫寿数显著进步，从10^5个循环增加到10^9循环周次以上。关于直径为2.5µm的石墨烯，根据非线性有限元分析，其均匀应力为71 GPa，在50%的静态开裂力和5nm的顶级振幅下应力改变规模为5.6 GPa。在如此高的均匀应力和应力幅值下，还没有其他资料的疲惫寿数能够超越10^9个循环。这种应力水平至少比高强度钢和航空航天铝合金的微观疲惫试验高出一个数量级。超薄(亚微米)金属薄膜(如铜或金)的疲惫寿数对厚度和晶粒尺度有很强的依赖性，但其抗疲惫功能均低于石墨烯。其他碳多晶型，如石墨和化学气相堆积(CVD)钻石，也被证明别离能在超越10^9和10^7循环周次存活，但其应力水均匀小于1 GPa。

研讨还发现，单层石墨烯的疲惫失效是大规模骤变的，并没有损害累积；分子动力学模仿显现，这是经过缺点附近应力介导的键重构完成的。相反，氧化石墨烯中的官能团具有部分疲惫损害累积机制。

1、2D资料的疲惫性测验

2、石墨烯的疲惫

3、氧化石墨烯的疲惫

4、疲惫开裂形态。

5、石墨烯和氧化石墨烯的MD疲惫模仿。

本研讨不仅为石墨烯纳米复合资料的疲惫增强行为供给了基础研讨，也为其他二维资料的动态可靠性评价供给了新起点。石墨烯与氧化石墨烯之间的力学差异表明，功能化是调整疲惫行为的潜在途径。这种疲惫测验方法也能够应用于其他广泛应用于各种柔性电子应用的二维资料。