研究发现折叠石墨烯显着提高石墨烯的机械性能

折叠多次的纸张比相同长度的平纸能够承载更多的重量。类似地，折叠也可以增强石墨烯的机械性能。

隶属于UNIST的国际研究团队发现，折叠是将大面积单层石墨烯薄膜纳入聚合物复合材料的有效策略，这样做可以改善机械强化。

这一突破由杰出教授RodneyS.Ruoff及其多维碳材料中心（CMCM）研究小组领导，该研究小组位于UNIST基础科学研究所（IBS）内。来自意大利特伦托大学的教授和来自KAIST的SeunghwaRyu教授和StefanoSignetti博士提供了理论和建模，补充了Ruoff教授小组的实验结果。

该研究小组报告说，他们成功地将A5尺寸，400纳米厚的聚碳酸酯薄膜折叠了一半12次。他们的研究结果表明，这种使用折叠的新方法为包含折叠石墨烯的最终复合材料片提供了显着的额外硬化，强化和韧化。

“这项工作源于我对折叠的兴趣。当布兰妮加利文于2002年成为加利福尼亚州的一名高中生时，她证明了一张长约1200米的单张纸可以折叠成十二次，”鲁夫教授。“在她成功之前，传统上认为纸张或其他材料可以折叠成一半的最大次数是7次-包括当时最优秀的数学家。”

“Ruoff教授和我决定尝试折叠石墨烯，其上附有一层薄薄的聚合物层，这样我们也可以尝试使用更小的起始材料来实现12倍，”IBS研究所的BinWang博士说。

使用水-空气界面，王博士首先将A5尺寸，400纳米厚的聚碳酸酯薄膜折叠成12次，产生毫米厚的散装材料-这是一项有趣的成就。然后，他将大面积单层石墨烯薄膜“填充”到折叠层压板中，开始使用A5尺寸的400纳米厚的聚碳酸酯薄膜，但现在涂有单层A5尺寸的石墨烯，这是由Haofei教授通过化学气相沉积生长的施和同事来自中国重庆绿色智能技术研究所。

“当拉上石墨烯时，石墨烯是最坚硬的材料之一，如果它能够制成无缺陷材料，那将是最强的材料之一。因此，优化其在复合材料中的加入是一项重要的科学挑战，”杰瑞教授说道。“王博士还将这种A5大小的聚碳酸酯和石墨烯双层板折叠了12次，这意味着最终的复合结构中存在2^12层，因此有4096层石墨烯，横向尺寸约为3mmx2mm，厚度约3mm。“

机械测试需要最终折叠样品的较大长度x宽度（也可以是较薄的）样品。因此，Wang制作了一系列样品，每个样品有10个折叠（而不是12个），并使用“三点弯曲测试”来研究它们的机械响应。石墨烯的体积分数非常低，仅为0.085％（小于1000份中的1份），杨氏模量（固有刚度），强度（材料破坏时的应力）和韧性模量（破坏样品时消耗的能量）折叠复合材料的平均增强率分别为73.5％，73.2％和59.1％。仅从石墨烯褶皱中，杨氏模量增加了24.2％，强度增加了25.4％，韧性模量增加了14.5％。请注意，这些值是团队建模的下限。

这些实验结果也通过理论与意大利特伦托大学Pugno教授团队提供的建模相结合进行了合理化。“这种折叠在加强和加强复合材料方面起着特殊的作用，”Pugno教授说。“与堆叠但不连续的层的模拟相比，折叠结构可以承受更大的弯曲力，这可以通过折叠的附加约束产生的改进的层-层相互作用来解释。”

来自KAIST的Ryu教授和StefanoSignetti博士提供了理论，使用有限元建模（FEM）来模拟折叠层压板的弯曲，并发现折叠配置相对于堆叠配置提供了更高的弯曲刚度，相当于1024层嵌入式石墨烯“折叠给出的附加约束导致复合板中存储的特定变形能量更高，并且与具有相同堆叠层数但没有折叠的板相比，在相同的施加位移处的弯曲力也更高，”来自KAIST的博士后研究员Signetti博士。

“这项工作中提出的模型可能有助于设计嵌入多层三维复合材料中的其他种类的二维材料，这种材料可以在大尺寸下实现，”杰瑞教授说。“除了机械加固外，折叠层压板还有其他潜在的应用。”