中科院力学所AFM：二维石墨炔的冲击防护性能研究

石墨二炔（GDY）是一种具有双乙炔键（―C≡C―C≡C―）的二维碳材料，其独特的纳米结构显示出优异的电催化性能、光热转换效率和高协同抗菌活性。在加工、制造和应用过程中气泡破裂、灰尘沉积和机械冲击引起的动态载荷可能会影响结构的性能。因此，了解GDY薄膜的动态响应对于提高其在工程应用中的性能至关重要。目前，有关多层石墨二炔 (MLGDY)的失效行为和动态耗能效率的相关研究仅限于分子动力学(MD)模拟，预测其由于引入了乙炔键而具有优异的延展性。GDY不仅可以通过面内波传播和变形耗散弹体的动能，还可以延长GDY薄膜在与弹丸接触期间的加速时间。由于实验制备的GDY与MD模拟的性能之间存在较大差异，因此缺乏对 MLGDY 薄膜冲击响应的直接实验研究，限制了其在冲击防护领域的应用。

为阐明MLGDY薄膜的微观结构与抗冲击性能之间的关系，揭示其相应的厚度依赖性动态响应，研究团队使用激光诱导微弹道冲击试验 (LIPIT) 和MD模拟研究了具有超低密度和柔性特征的MLGDY的动态力学性能以及能量耗散的潜在厚度依赖机制。研究结果表明，MLGDY 表现出优异的动态能量耗散能力，这主要归功于苯环以及苯环之间的乙炔键共同产生的优异面内波速。此外，独特的多裂纹尖端的失效模式及其传播进一步促进了能量耗散能力。同时，发现其能量耗散能力随着材料厚度的增加而降低，究其原因，较厚的MLGDY上层发生压缩-剪切破坏，这种破坏模式在一定程度上阻碍了离域能量耗散能力。弹体上最大的承载力随冲击速度的增加几乎线性增加，这证明了传统层压板的抗压理论在二维材料中的适用性。基于实验观察和模拟结果，团队提出了两种可行的策略来进一步提高MLGDY这种二维材料的抗冲击能力，即结合高强度多层石墨烯和旋转GDY夹层以避免sp杂化碳原子的直接堆叠。该研究从实验上直接证明MLGDY 具有较为优异的抗冲击性，并提出了可行的制造策略，拓宽了MLGDY在冲击防护领域的应用。

该成果以“Low-density multilayer graphdiyne film with excellent energy dissipation capability under micro-ballistic impact”发表在Advanced Functional Materials上。中科院力学所博士毕业生肖凯璐与化学所金伟岳博士为论文第一作者，通讯作者为中科院力学所吴先前副研究员。该工作得到国家自然科学基金面上项目和重点项目（Nos. 12272391，12232020, 21790053, 22071251, and 21875258）等项目的支持。

图1. (a) LIPIT 实验中使用的直径为25 μm的二氧化硅弹体SEM图像及高速摄影拍摄的冲击过程; (b)弹体剩余速度(Vr)和动能变化(ΔEa) ; (c)不同厚度的MLGDY薄膜的比吸能。

图2. 不同厚度的MLGDY薄膜在不同冲击速度(Vi)的失效特征。

图3.(a) 5层GDY薄膜在弹道极限(V50)下(i)0.5、(ii)1.25、(iii)2.5和(iv)3.75 ps时的失效形态。(b) 10层GDY薄膜在V50下(i)0.3、(ii)1.1、(iii)1.7和(iv)2.2ps时的失效形态。

图4. (a) 5层和10层MLGDY薄膜Vi和Vr之间的关系，以及V50和GDY层数之间的近似线性关系。(b) 5层和10层MLGDY薄膜在直径为2nm弹体冲击下的比吸能，以及10层MLGDY在不同Vi下弹体承载的最大的力 (Fm)与Vi之间的线性关系。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202212361

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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