研究表明，将碳纳米管引入块状材料可以显著增韧和增强材料，这一设计理念与宏观材料采用钢筋嵌入混凝土来增韧类似。到目前为止，许多研究都集中在将碳纳米管有效分散到块体材料，如金属、聚合物和陶瓷，制备既强又韧的纳米复合材料。近年来，一维碳纳米管和二维石墨烯已被成功地结合在一起，制成了所谓的“钢筋石墨烯”，但是有关碳纳米管如何增韧石墨烯的效果和原因还不明确。
近日，美国Rice大学的Jun Lou等人，对碳纳米管嵌入石墨烯的“钢筋石墨烯”进行了全面的力学研究。Jun Lou及其合作者采用自主设计的微观力学器件对“钢筋石墨烯”进行了原位拉伸实验，并结合分子动力学模拟揭示了植入的碳纳米管提升石墨烯材料断裂韧性的机理。相关成果以“Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes”为题发表在ACS Nano上。
钢筋石墨烯示意图及拉曼光谱和HRTEM图像
首先，Jun Lou等人通过一种有效的二维材料“干转移”方法将单层“钢筋石墨烯”成功地转移到自主研制的微观力学器件上，并在扫描电子显微镜内进行了单轴拉伸试验以获取“钢筋石墨烯”的力学性能及断裂行为。
“干转移”方法示意图及“钢筋石墨烯”断裂实验
在比较石墨烯和钢筋石墨烯中裂纹扩展后，研究人员发现石墨烯以线性脆性方式断裂，“钢筋石墨烯”的断裂由碳纳米管引导和重新定向，从而产生锯齿形断裂表面。
“钢筋石墨烯”的裂纹
进一步地，Jun Lou等人用原位透射电子显微镜拉伸实验及分子动力学模拟确认并证实“钢筋石墨烯”的增韧机制。证明嵌入的碳纳米管可以使得裂纹扩展发生偏转弯折，而且可以桥连已断裂裂纹。
“钢筋石墨烯”的单轴拉伸断裂的MD模拟实验
“钢筋石墨烯”的CNT桥接的MD模拟
“钢筋石墨烯”的增韧机制MD模拟
这项工作提供了石墨烯杂化材料断裂过程的机理分析，并确定了二维材料可以被有效增韧。杂化石墨烯材料的制备，为其它二维复合材料开启了新思路，而且可以根据其柔性设备应用的需求进行机械定制。
