Response of 2D materials due to mechanical stimuli: exploring the fracture regime

Abstract

Graphene-based materials exhibit exceptional mechanical properties and therefore they are suitable candidates for high performance real-world applications. However, these properties degrade in the presence of defects, which act as stress concentration points, leading to the premature failure of materials. Hence, it is essential to gain insight into the parameters affecting fracture and the crack impeding mechanisms developed due to the presence of graphene. This dissertation delves into the fracture mechanics of graphene, both supported and embedded in polymers, utilizing either in-situ Raman spectroscopy or Atomic Force Microscopy (AFM), combined with micromechanical tensile testing. A thorough investigation over the influence of a defect on the fracture behavior and the morphology of graphene is conducted, as the introduction of an induced defect can serve as a model to simulate real-world conditions, where imperfections are inevitable. The presented findings reveal that its existence significantly affects the mechanical behavior and the fracture toughness of both graphene and graphene-based nanocomposites. Therefore, it is essential to monitor the strain/stress distribution close to defects, when external deformation is applied, as an increased stress field could potentially result to crack initiation and propagation. Herein, the fracture behaviour of a novel class of nanocomposites, CVD graphene-based nanolaminates, and the fracture behaviour of mechanically exfoliated graphene is examined. The use of monolayer CVD graphene both as a sensor in polymers and as an enhancing filler impeding the fracture of graphene-based nanolaminates is studied. The analysis emphasizes on the determination of the stress distribution profiles at the vicinity of an induced defect. In the case of graphene-based nanolaminates, valuable information is provided over the fracture procedure, such as the fracture toughness, the energy dissipation and the mechanisms that impede the crack propagation. The insights of this investigation offer a comprehensive understanding of fracture mechanics in graphene-based materials offering pathways over the harnessing of their exceptional properties. In the case of mechanically exfoliated graphene, a comprehensive analysis over the fracture behaviour of mono- and few- layered graphene, in which a defect has been induced, is conducted, unravelling unique crack and wrinkle patterns, due to strain imposition. The content of this dissertation can be conceptually divided into 6 Chapters. An introduction to graphene and its exceptional properties, which renders its incorporation into nanocomposites as an enticing alternative towards the reinforcement of materials is provided in Chapter 1. Chapter 2 delves into fracture mechanics and its important parameters, focusing on the fracture toughness of graphene-based materials, as well as the role of factors affecting the mechanical properties of graphene-based nanocomposites (i.e. filler content, size, dispersion etc.). In Chapter 3, a detailed description of all experimental techniques used in this dissertation is provided. In Chapter 4, the use of CVD graphene (produced via Chemical Vapor Deposition) as a strain sensor for the quantification of strain close to defects, and for the extraction of valuable parameters related to fracture, such as Stress Concentration Factor (SCF) is proposed. The results were validated both analytically and numerically via Finite Element Analysis, with the SCF values being remarkably similar, suggesting that CVD graphene can be successfully used as a strain sensor for the assessment of strain/stress distribution close to defects in polymers, and therefore to polymer-based composites. Chapter 5 deals with the study of fracture mechanisms in a novel class of graphene nanocomposites, the CVD graphene/polymer nanolaminates, when subjected to tension. A thorough investigation over their fracture behaviour reveals that a low graphene content leads to the enhancement of the nanolaminate’s fracture toughness, whereas a higher graphene content leads to its embrittlement, despite the enhancement providing to the nanocomposite. In Chapter 6, fracture mechanics and strain-induced morphological alterations of notched mechanically exfoliated graphene flakes are investigated, unveiling novel insights and contribute to the advancement of nanotechnology field, through the design and optimization of nanomaterials with tailored properties and functionalities for future applications. Lastly, in Chapter 7, the results obtained in this thesis are summarized and potential topics for future work in the study of fracture of 2D materials and graphene-based nanocomposites are proposed.

Τα γραφενικά υλικά παρουσιάζουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, οι οποίες τα καθιστούν κατάλληλα για χρήση σε διάφορες προηγμένες εφαρμογές. Ωστόσο, η παρουσία ατελειών μπορεί να υποβαθμίσει τις ιδιότητες αυτές, καθώς λειτουργούν ως σημεία συγκέντρωσης τάσης, οδηγώντας σε πρόωρη αστοχία των υλικών. Επομένως, η γνώση των παραμέτρων που επηρεάζουν τη θραύση, καθώς και των μηχανισμών που καθυστερούν την τελική θραύση του υλικού είναι μείζονος σημασίας. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η θραυστομηχανική συμπεριφορά του γραφενίου, το οποίο έχει εναποτεθεί σε πολυμερικό υπόστρωμα, καθώς και η συμπεριφορά νανοσύνθετων πολυστρωματικών μεμβρανών με βάση το γραφένιο. Επιπλέον, το γραφένιο εισάγεται ως έγκλεισμα σε πολυμερική μήτρα, για τη μελέτη της συμπεριφοράς του poly(methyl methacrylate) (PMMA), το οποίο είναι ένα πολυμερές που χρησιμοποιείται ευρέως σε τεχνολογικές εφαρμογές. Για την υλοποίηση της παρούσας διατριβής επιστρατεύεται η φασματοσκοπία Raman και η Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης (AFM), σε συνδυασμό με μηχανικές δοκιμές μικρο-εφελκυσμού. Συγκεκριμένα, ενδελεχής έρευνα διεξάγεται σχετικά με την επίδραση μιας ατέλειας στη θραυστομηχανική συμπεριφορά και στη μορφολογία του γραφενίου, κατά την άσκηση εξωτερικού φορτίου. Η δημιουργία μιας τεχνητής ατέλειας μπορεί να προσομοιώσει συστήματα σε πραγματικές συνθήκες, στα οποία η ύπαρξη ατελειών είναι αναπόφευκτη. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται δείχνουν ότι η ύπαρξή της επηρεάζει σημαντικά τη μηχανική συμπεριφορά και την αντοχή στη θραύση του γραφενίου και των γραφενικών νανοσυνθέτων. Επομένως, η μελέτη της κατανομής της τάσης κοντά σε ατέλειες, όταν ασκείται εξωτερική παραμόρφωση, είναι υψηλής σημασίας, καθώς δυνητικά η αύξηση της συγκέντρωσης τάσης μπορεί να οδηγήσει στην έναρξη και διάδοση ρωγμών. Στην παρούσα διατριβή, εξετάζεται η θραυστομηχανική συμπεριφορά νανοσύνθετων πολυστρωματικών μεμβρανών γραφενίου παραγόμενου μέσω της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD), καθώς και μηχανικά αποφλοιωμένων γραφενικών φύλλων. Συγκεκριμένα, μελετάται η χρήση μονοστρωματικών CVD γραφενικών φύλλων τόσο ως αισθητήρας τάσης σε πολυμερή, όσο και ως ενισχυτική φάση ενός νανοσυνθέτου, δίνοντας έμφαση στην ανάλυση της κατανομής της τάσης κοντά στην ατέλεια. Κατά τη μελέτη των νανοσυνθέτων, παρατηρείται η ανάπτυξη μηχανισμών που εμποδίζουν τη θραύση του υλικού, λόγω της διάχυσης της ενέργειας κατά την έναρξη ρωγμών. Τα ευρήματα αυτής της έρευνας προσφέρουν μια ολοκληρωμένη κατανόηση της μηχανικής θραύσης υλικών με βάση το γραφένιο, διευκολύνοντας την αξιοποίηση των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους. Στην περίπτωση του μηχανικά αποφλοιωμένου γραφενίου, εκτεταμένη ανάλυση πραγματοποιείται σχετικά με την θραύση μονοστρωματικών και πολυστρωματικών φύλλων γραφενίου, στα οποία έχει δημιουργηθεί μια ατέλεια, αποκαλύπτοντας μοναδικά μοτίβα πτυχώσεων, λόγω της εξωτερικά εφαρμοζόμενης παραμόρφωσης.Η διατριβή χωρίζεται εννοιολογικά σε 6 Κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθονται πληροφορίες σχετικά με το γραφένιο και τις εξαιρετικές του ιδιότητες, οι οποίες το καθιστούν ελκυστική επιλογή για την ενίσχυση άλλων υλικών. Το Κεφάλαιο 2 πραγματεύεται βασικές έννοιες της θραυστομηχανικής, εστιάζοντας στους παράγοντες που επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφορά του γραφενίου, καθώς και γραφενικών νανοσυνθέτων. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή. Στο Κεφάλαιο 4 προτείνεται η χρήση CVD γραφενίου ως αισθητήρας για την ποσοτικοποίηση της τάσης κοντά σε κυκλική ατέλεια, καθώς και για την εξαγωγή παραμέτρων που σχετίζονται με την αντοχή του υλικού στη θραύση, όπως ο Συντελεστής Συγκέντρωσης Τάσεων (SCF). Τα αποτελέσματα επαληθεύτηκαν μέσω της Ανάλυσης Πεπερασμένων Στοιχείων, με τις τιμές του SCF να είναι εξαιρετικά παρόμοιες, υποδεικνύοντας ότι το CVD γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς ως αισθητήρας για την εκτίμηση της κατανομής τάσης κοντά σε ατέλειες σε πολυμερή και πολυμερικά σύνθετα υλικά. Το Κεφάλαιο 5 πραγματεύεται τη μελέτη των μηχανισμών θραύσης νανοσύνθετων πολυστρωματικών μεμβρανών CVD γραφενίου, όταν αυτές υποβάλλονται σε εφελκυσμό. Διεξοδική έρευνα για τη συμπεριφορά θραύσης τους αποκαλύπτει ότι η ενσωμάτωση χαμηλών ποσοστών γραφενίου οδηγεί σε βελτίωση της αντοχής των γραφενικών μεμβρανών στη θραύση. Αντιθέτως, η ενσωμάτωση υψηλότερου γραφενικού ποσοστού καθιστά το νανοσύνθετο πιο ψαθυρό, παρά τη βελτίωση των μηχανικών του ιδιοτήτων. Στο Κεφάλαιο 6 μελετώνται οι μηχανισμοί θραύσης και οι μορφολογικές μεταβολές σε μηχανικά αποφλοιωμένα γραφενικά φύλλα, στα οποία έχει δημιουργηθεί μια νανο-εγκοπή. Η μελέτη αυτών των συστημάτων αποκαλύπτει νέα πεδία εφαρμογών και συμβάλλει στην ανάπτυξη του πεδίου της νανοτεχνολογίας, μέσω του σχεδιασμού και της βελτιστοποίησης νανουλικών με προσαρμοσμένες ιδιότητες και λειτουργικότητες για μελλοντικές εφαρμογές. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής και προτείνονται εναλλακτικές προσεγγίσεις για την περαιτέρω διερεύνηση της θραυστομηχανικής συμπεριφοράς 2D υλικών και άλλων νανοσύνθετων. Συνοψίζοντας, η μελέτη της συμπεριφοράς θραύσης διαφόρων συστημάτων μπορεί να προσφέρει πολύτιμες γνώσεις για τους μηχανισμούς θραύσης που δρουν συνεργατικά, βελτιώνοντας την αντοχή στη θραύση των υλικών.