1 概述
自 2004 年英國 Manchester 大學的 Novoselov等[1]首次用機械剝離法獲得單層石墨烯以來，石墨烯以其獨特的結構，優異的電學、熱學、化學和力學性能迅速引起了廣泛地關注。石墨烯具有良好的導熱性能 5000W/（m·K）[2],室溫下電荷遷移率高達 15,000 cm2/（V·s）[3],比表面積為 2630m2/g[4],楊氏模量和力學性能分別為 1.02TPa 和 130GPa[5].石墨烯的這些優良性能使其可以廣泛地應用于電子科技、量子物理和化學材料等各方面，且已經應用于催化劑載體、航天器的機身、太陽能電池、防彈衣以及代替硅和銅在導體和半導體中。因此，石墨烯從第一次被成功制備以來，已經成為各國科學前沿領域中的研究熱點之一。本文重點綜述了近幾年研究石墨烯力學性能的最新進展，并展望了石墨烯及其復合材料的應用與發展前景。
2 石墨烯力學性能的最新研究進展
石墨烯的力學性能的測定是認識其性能并將其應用的基礎和前提條件，研究方法主要有實驗測試、數值模擬和理論分析三種途徑。然而，楊氏模量、泊松比、抗拉強度等基本力學性能參數的預測，是近年來石墨烯力學性能研究的主要內容之一。需指出的是，楊氏模量等力學性能參數是屬于連續介質框架下的力學概念，由于石墨烯是由單層碳原子構成，其厚度必須采用連續介質假設后計算其力學性能參數才有意義。因此采用不同的厚度定義方式，得到的應力和楊氏模量等結果是不同。在這些研究中，取石墨晶體的層間距 0.335nm 的較多。
在實驗測試方面，由于石墨烯特殊的二維結構，傳統的宏觀材料測試方法和技術很難獲得石墨烯有效的力學性能參數。目前通過原子力顯微鏡（AFM）納米壓痕實驗方法能夠有效地對石墨烯的楊氏模量進行測定。Lee 等[5]利用 AFM 方法在帶有孔狀結構的 Si 襯底表面上放置石墨烯，研究石墨烯的彈性性質和斷裂強度，得到壓頭壓入深度與所施加的力的關系曲線，并借助連續介質力學分析，假設石墨烯厚度為 0.335nm,得到石墨烯的楊氏模量為 1.02TPa.Frank 等[6]利用 AFM 方法得到小于 5 層的堆疊石墨烯的楊氏模量為 0.5TPa.Gomez-Navarro 等[7]利用探針引誘變形方式，在假設厚度為 1.0nm 的前提下，測得通過化學氧化還原制備得到的單層懸浮石墨烯的楊氏模量為 0.25±0.15TPa,并發現其具有非常高的柔韌性。AFM 方法測試了多層石墨烯的彎曲剛度和應力特性，并研究其與薄膜厚度的依賴關系。AFM 方法需要借助理論分析才能得到有效的材料力學性能參數，同時，納米壓痕的結果具有一定的分散性，壓頭尺寸、形狀、位置以及材料本身的一些形貌特征對實驗結果會帶來較大的影響，需要進行大量的實驗，采用多點測量，統計分析的方法才能獲得有意義的實驗結果。
除了實驗測試手段，多種理論計算方法也被應用于石墨烯的材料常數和力學性能研究。常見的方法有第一性原理從頭計算方法，密度泛函理論（DFT）計算、半經驗（SE）模擬法、緊束縛（TB）方法，分子動力學（MD）方法，分子力學（MM）方法、有限元模型（FEM）、蒙特卡羅（Monte Carlo）方法等。這些理論用來預測石墨烯基本力學性能參數，如楊氏模量、泊松比、強度等，還可用于研究石墨烯變形破壞機制。這些理論方法得到石墨烯的彈性模量和泊松比，如表 1 所示。從表中可知，REBO/AIREBO 勢的分子動力學（MD）模擬得到的彈性模量略低于用COMPASS勢的MM/ MD方法或DFT 方法所得的值。用 MM/MD 計算的泊松比明顯高于用 DFT 計算的值。不同的原因目前仍然不清楚?！?】
理論分析方面，清華大學黃克智[26]提出“石墨烯的基于原子勢的線彈性殼體理論”,采用小變形的線彈性殼體理論，直接由原子勢解析地導出石墨烯的拉伸剛度和彎曲剛度，也可由原子勢函數得到石墨烯的厚度和彈性模量，但它們并不是一個固定的值，而是依賴于加載的方式。由原子勢得到的石墨烯線彈性本構關系是各向同性的，但與經典的各向同性平板理論不同，石墨烯的小變形扭轉剛度為零，由原子勢得到的石墨烯的彎曲剛度僅依賴于多體原子勢中原子鍵夾角的部分，它不同于經典殼體中由中性面兩側拉/壓形成的彎曲剛度。另外，該研究組[27]進一步發展了“基于原子勢的有限變形殼體理論”,通過格林應變張量與曲率張量來表示變形過程中原子鍵長以及相鄰鍵間的夾角，得到內力和內力矩與應變和曲率之間的比率形式關系。美國德克薩斯大學奧斯汀分校 Huang[28-29]等利用原子模擬和連續介質力學相結合研究石墨烯的力學性能，發展了適用于石墨烯面內和彎曲變形的非線性介質力學理論框架。
3 石墨烯及其復合材料的應用與前景
這些大量的研究發現石墨烯具有優異的力學、熱學和電學性能，能夠在高性能納電子器件、電化學生物傳感器、復合材料、場發射材料、氣體傳感器、能量儲存計算機芯片等眾多領域獲得廣泛應用。
本文只給出幾個石墨烯復合材料的最新應用。Zeng等[30]對一種以 DNA 為基礎的電化學生物傳感器的簡便接口進行了研究。此接口是由石墨烯和 CdS 組成的納米復合材料，并將其應用到苯乙雙胍（降糖靈，降血糖用藥）中進行研究。得到 CR-CdS 納米復合材料具有卓越的輕便電子轉移性能，并將這種納米復合納米材料的生物傳感器接口成功應用于實際樣品測定降糖靈。Xu 等[31]對氧化石墨烯/TiO2 復合材料進行研究，發現氧化石墨烯/TiO2 復合材料可以作為水凈化的過濾膜。Chen 等[32]
制備的石墨烯/Polyaniline 超級電容器，其電容器的功率密度已經達到 10KW/kg,能量密度為 28.5Wh/kg,最大比電容為 205F/g,并擁有較長的循環壽命。石墨烯與Au[33]、Ag[34]制備的納米復合材料在增強拉曼效應方面比單獨的石墨烯要好，同時增強的效果與制備的品質、尺寸和納米結構都有關系。
4 結語
自從 2004 年發現石墨烯以來，關于它的研究不斷取得突破性進展，充分展示了其在理論研究和實際應用領域的巨大潛力和發展前景。本文主要介紹了近年來國內外在石墨烯力學性能的實驗測量、理論計算等研究方面的前沿進展。值得注意的是，石墨烯的研究與應用中仍存在諸多挑戰。比如：如何大規模制備高質量石墨烯；石墨烯的很多性質如電子性能、磁性等仍待探究；石墨烯新的應用領域有待探索，相應要求有待明確；石墨烯與其他學科的交叉領域有待進一步開拓。
參考文獻
[1] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric fieldeffect in atomically thin carbon films [J].Science,2004,306（5696）： 666-669.
[2] Balandin A A, Ghosh S, Bao W Z, et al. Superior thermalconductivity of single-layer grapheme [J].Nano. Lett., 2008,8: 902-907.[3] Bolotin K I, Sikes K J, Jiang Z, et al. Ultrahigh electronmobility in suspended grapheme[J].Solid State Commun.,2008, 146: 351-355.
[4] Steurer P, Wissert R, Thomann R, et al. Functionalizedgraphenes and thermoplastic nanocomposites based uponexpanded graphite oxide[J].Macromol Rapid Commun.,2009, 30: 316-327.
[5] Lee C, Wei X D, Kysar J W, ed al. Measurement of theelastic properties and intrinsic strength of monolayergrapheme [J]. Science, 2008, 321: 385-388.
