西安理工大学材料科学与工程学院Wenge Chen和诺森比亚大学工程与环境学院--金属涂层石墨烯纳米复合粉体的纳米尺度力学研究

采用原子力显微镜下的纳米压痕法对石墨烯和金属涂层石墨烯纳米复合粉体的纳米尺度力学性能进行了评价。然后用第一性原理计算得到的数据对所得结果进行了验证。采用改进的Hummer法合成的石墨烯具有~1.1 nm厚度的层状结构。采用原位共还原法合成了金属包覆石墨烯纳米复合粉体，包括铜包覆石墨烯粉体(Cu@石墨烯)和镍包覆石墨烯粉体(Ni@石墨烯)。通过纳米压痕试验得到石墨烯、Cu@石墨烯和Ni@石墨烯的杨氏模量平均值分别为0.98 TPa、1.03 TPa和1.06 TPa，利用第一性原理计算得到的杨氏模量平均值分别为1.051 TPa、1.07 TPa和1.10 TPa。计算得到的金属与石墨烯之间的结合能值，Cu@石墨烯为-1.54 eV, Ni@石墨烯为- 3.85 eV。碳原子与金属原子之间的电荷转移显著地提高了C-C键和金属键的键强。

图1. (a)石墨烯模型，(b)(111)/石墨烯Top模型，(c)(111)/石墨烯Hollow模型，(d)(111)/石墨烯Bridge模型。

图2. (a)石墨烯和(b) Ni@石墨烯表面形貌的SEM图像。

图3. (a)石墨烯，(b) Cu@石墨烯， (c) Ni@石墨烯的TEM图像。

图4. (a)石墨烯，(b) Cu@石墨烯， (c) Ni@石墨烯的XRD图。

图5. (a)石墨烯，(b) Cu@石墨烯， (c) Ni@石墨烯的拉曼光谱。

图6. (a)石墨烯，(b) Cu@石墨烯， (c) Ni@石墨烯的AFM图像。

图7. (a)石墨烯，(b) Cu@石墨烯， (c) Ni@石墨烯的力-距离曲线和力-压痕曲线。

图8. (a)石墨烯，(b) Cu@石墨烯， (c) Ni@石墨烯的杨氏模量的直方图和高斯拟合。

图9. (a)石墨烯的能带结构(图示在费米能级放大)，(b)石墨烯的态密度。

图10. Cu(111)/石墨烯三种吸附模型的能带结构图和态密度图：(a,d)Top，(b,e)Hollow，(c,f)Bridge。

图11. Ni(111)/石墨烯三种吸附模型的能带结构图和态密度图：(a,d) Top， (b,e) Hollow， (c,f) Bridge。

相关研究成果由西安理工大学材料科学与工程学院Wenge Chen和诺森比亚大学工程与环境学院Yong-Qing Fu等人于2022年发表在Materials Today Communications (https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104731)上。原文：Nanoscale mechanics of metal-coated graphene nanocomposite powders。