納米級褶皺的高強度和高韌性研究獲進展

　　近日，中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室研究員魏宇杰研究團隊通過原子尺度模擬和理論分析，報道了高強度和高韌性的堆疊無定形碳基復合材料，并揭示出納米級褶皺產生的增強增韌這一反常規機制，相關研究成果發表在Nano Letters上。

　　石墨烯等低維碳基材料具有極高的面內強度和楊氏模量，但其三維堆疊結構難以繼承這些優勢且表現出極端脆性。科研人員通過模擬和理論分析，設計出基于二維無定形碳薄膜的堆疊結構，與大多堆疊結構材料不同的是，其同時實現了高強度（GPa）和類塑性的大變形。對變形過程分析發現，大量初始缺陷引起的表面粗糙度和單原子層固有的面外柔性是其增強增韌的兩個關鍵因素。在拉伸過程中，表面大量的納米級褶皺會帶來不均勻的小尺度層間界面滑移，從而導致剪應力的不均勻分布和類塑性變形，避免了材料的突然失效。上述結論對其他類型的原子尺度薄膜材料具有普遍性，為提高范德華異質結構的韌性，有效避免災難性失效提供了新策略。

　　力學所博士研究生謝文慧為論文第一作者，魏宇杰為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中科院戰略性先導科技專項的支持。

　　二維無定形碳的三維堆疊，由此產生的非晶碳基復合材料具有高強度（~3.5 GPa）和良好的韌性。堆疊結構示意圖和原子構型（左），層中的納米級褶皺是增強增韌源頭；堆疊片層尺寸b對復合材料力學性能的影響（右）。