一种测量石墨烯聚合物复合材料界面剪切力的方法与流程

本发明属于纳米复合材料的界面力学测量技术领域，具体涉及一种测量石墨烯聚合物复合材料界面剪切力的方法。

背景技术：

在众多类型的纳米复合材料中，基于二维纳米材料石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向，其在柔性电能存储器、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能，具有广阔的应用前景。利用石墨烯制造多功能聚合物纳米复合材料的关键是石墨烯增强相与聚合物基材间界面的构筑和增强。这是因为界面是复合材料特有的一个组成部分，而且石墨烯与基材间的界面作用是决定纳米聚合物复合材料力学性能、结构稳定性、功能性的关键因素。因此，研究石墨烯与聚合物间的界面力学特性是制造多功能、高性能石墨烯/聚合物纳米复合材料的关键问题。

复合材料的界面剪切力测量一直以来都是微纳力学测量的难题。由于纳米材料的微小尺寸，在实验上鲜有有效对纳米材料/聚合物界面在纳米尺度的精确操作和测量的技术手段，对实验研究石墨烯和聚合物间的作用造成极大的阻碍。现有测量材料界面剪切力的方法主要是挤压法，鼓泡法等，然而上述技术存在操作困难，精度低等缺点。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种测量石墨烯聚合物复合材料界面剪切力的方法，实现了石墨烯/聚合物复合材料界面剪切力的精确测量。

为了达到上述目的，本发明采取视为技术方案为：

一种测量石墨烯聚合物复合材料界面剪切力的方法，包括以下步骤：

1)在硅基底1上旋涂光刻胶2，并显影为正方形阵列结构3；

2)在正方形阵列结构3之间的沟槽中填充第一聚合物4；

3)将具有大长宽比长方形片状的已知长度、宽度、厚度的石墨烯5转移到第一正方形阵列结构3和第一聚合物4上，并使石墨烯5完全覆盖在第一正方形阵列结构3上，形成桥式石墨烯片段；

4)在步骤3)所得结构代替步骤1)中的硅基底1，并重复步骤1)、步骤2)，形成由第一正方形阵列结构3、第一聚合物4作为一层，石墨烯5作为中间层，第二正方形阵列结构6、第二聚合物7作为另一层的三明治型石墨烯/聚合物纳米复合材料；

5)将步骤4)制备的三明治型石墨烯/聚合物纳米复合材料放入乙醇中浸泡，确保完全溶解第一正方形阵列结构3和第二正方形阵列结构6，干燥后得到待测样品；

6)用原子力显微镜定位步骤5)中待测样品中的石墨烯5，并以恒定速度下压原子力显微镜探针8，进而垂直下压石墨烯5，记录原子力显微镜探针8的力-位移曲线a；

7)卸载力后石墨烯5恢复原状，使原子力显微镜探针8向上移动，记录原子力显微镜探针8的力-位移曲线b，比较力-位移曲线a和力-位移曲线b；

8)若两次力-位移曲线重合，则使原子力显微镜探针8以更大的垂直进给量重复步骤6)、步骤7)操作，直至力-位移曲线a和力-位移曲线b不重合，此时石墨烯5由于水平剪切力脱离第一聚合物4和第二聚合物7，根据发生脱离时原子力显微镜探针8受到的力ft、下压最大位移hm求出石墨烯5与第一聚合物4和第二聚合物7之间的剪切力τ。

所述的步骤8)中计算石墨烯5与第一聚合物4和第二聚合物7界面剪切力的数值的过程如下：

hm＝δa-δp

其中kp为第一聚合物4的弹性模量，ft为石墨烯5在脱离过程中原子力显微镜探针8记录的力，δp为第一聚合物4受到下压后产生的位移，δa是石墨烯5的总位移，hm为石墨烯5在脱离过程中原子力显微镜探针8下压最大位移，θ为边界处石墨烯5与第一聚合物4和第二聚合物7平面的夹角，a为第一正方形阵列结构3、第二正方形阵列结构6的边长，fa为石墨烯5在脱离过程中受到的轴向力，l、w、t分别为石墨烯5的长度、宽度、厚度，τ为石墨烯5与第一聚合物4和第二聚合物7之间的剪切力。

所述的第一聚合物4和第二聚合物7材料为环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚甲基硅氧烷(pdms)、聚苯乙烯(ps)或对苯二甲酸乙二酯(pet)等任意一种。

所述的步骤1)光刻胶2厚度为5μm～10μm。

所述的第一正方形阵列结构3、第二正方形阵列结构6边长为5μm～10μm。

所述的第一正方形阵列结构3、第二正方形阵列结构6的间距为10μm～20μm。

所述的步骤2)中具有大长宽比的长方形片状石墨烯的长宽比为5：1～20：1。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过利用原子力显微镜探针压拔实验进行加载和卸载，可以保证直接测量的准确性。构造了三明治型石墨烯/聚合物纳米复合材料，通过控制原子力显微镜探针的压拔实验，检测石墨烯在加载和卸载时探针的力-位移曲线，在两次曲线不重合时，石墨烯与聚合物界面脱离，实现了石墨烯/聚合物复合材料界面剪切力的测量。

附图说明

图1是本发明待测样品的制备流程图。

图2是原子力显微镜探针8压拔实验示意图。

图3是原子力显微镜探针8压拔实验截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种测量石墨烯聚合物复合材料界面剪切力的方法，包括以下步骤：

1)准备硅基底1，参照图1，在硅基底1表面涂覆光刻胶2，光刻胶2厚度为10μm，使用图案为正方形阵列，正方形边长为5μm，间距为20μm的掩模版进行光刻，显影后使用酸/碱溶液进行湿法刻蚀形成第一正方形阵列结构3；

2)在第一正方形阵列结构3之间的沟槽中填充第一聚合物4，第一聚合物4为环氧树脂，第一聚合物4厚度为10μm；

3)利用图案化的pdms模具将铜网生长的具有大长宽比长方形片状的已知长度、宽度、厚度的石墨烯5转移到第一正方形阵列结构3和第一聚合物4上，大长宽比的长方形片状石墨烯的长宽比为10：1，并使石墨烯5完全覆盖在第一正方形阵列结构3上，第一正方形阵列结构3边长为5μm，第一正方形阵列结构3的间距为20μm，形成桥式石墨烯片段；

4)将步骤3)所得结构代替步骤1)中硅基底1，并重复步骤1)、步骤2)，形成由第一正方形阵列结构3、第一聚合物4作为一层，石墨烯5作为中间层，第二正方形阵列结构6、第二聚合物7作为另一层的三明治型石墨烯/聚合物纳米复合材料，第二聚合物7为环氧树脂；

5)将步骤4)制备的三明治型石墨烯/聚合物纳米复合材料放入乙醇中浸泡30min，确保完全溶解第一正方形阵列结构3和第二正方形阵列结构6，干燥后得到待测样品，待测样品用于在界面力学特性实验中与原子力显微镜探针8接触和压拔试验；

6)参照图2，用原子力显微镜定位步骤5)中待测样品中的石墨烯5，并以恒定速度下压原子力显微镜探针8，进而垂直下压石墨烯5，记录原子力显微镜探针8的力-位移曲线a；

7)卸载力后石墨烯5恢复原状，使原子力显微镜探针8向上移动，记录原子力显微镜探针8的力-位移曲线b，比较力-位移曲线a和力-位移曲线b；

8)若两次力-位移曲线重合，则使原子力显微镜探针8以更大的垂直进给量重复步骤6)、步骤7)操作，直至力-位移曲线a和力-位移曲线b不重合，此时石墨烯5由于水平剪切力脱离第一聚合物4和第二聚合物7，根据发生脱离时原子力显微镜探针8受到的力ft、下压最大位移hm求出石墨烯5与第一聚合物4和第二聚合物7之间的剪切力τ。

参照图3，计算石墨烯5与第一聚合物4和第二聚合物7界面剪切力的数值的过程如下：

hm＝δa-δp

其中kp为第一聚合物4的弹性模量，ft为石墨烯5在脱离过程中原子力显微镜探针8记录的力，δp为第一聚合物4受到下压后产生的位移，δa是石墨烯5的总位移，hm为石墨烯5在脱离过程中原子力显微镜探针8下压最大位移，θ为边界处石墨烯5与第一聚合物4和第二聚合物7平面的夹角，a为第一正方形阵列结构3、第二正方形阵列结构6的边长，fa为石墨烯5在脱离过程中受到的轴向力，l、w、t分别为石墨烯5的长度、宽度、厚度，τ为石墨烯5与第一聚合物4和第二聚合物7之间的剪切力。