Αναλυτική και πειραματική διερεύνηση της μηχανικής συμπεριφοράς μεμβρανών γραφενίου υπό την επίδραση αξονικών καταπονήσεων

Abstract

In the present study the mechanical behaviour of graphene simply supported or fully embedded in polymer matrices under axial loadings is examined. Graphene flakes were produced by mechanical exfoliation of graphite using the scotch tape method. The outline of the thesis is as follows: in the introduction part the graphene and its properties are presented in detail, Raman spectroscopy and its application in studing the mechanical behaviour of graphene. Subsequently, the sample preparation, the devices that used for the execution of the experiments and technical details are presented. In chapter 4 and 5, the mechanical behaviour of graphene under compressive and tensile loadings is presented. Finally the thesis is closed by introducing the main conclusions drawn from the present study and suggestions for further research.The greater part of the study consists of the experimental examination of graphene. The graphene samples are subjected to mechanical loadings by using polymer substrates. This method is simple and combined with Raman spectroscopy is one of the most effective ways to study graphene. Concerning the theoretical part, the buckling of embedded graphenes under compression was modeled using the Winkler’s model, and the results were confirmed by molecular dynamics simulations (the MD simulations were performed by Dr. E.N. Koukaras). Also, stress-strain curves were extracted from spectroscopic data of the 2D Raman peak and based on this analysis the strength of embedded single layer graphene under comprerssion for moderate strain level was derived.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η μηχανική συμπεριφορά του γραφενίουυπό αξονικές φορτίσεις, το οποίο είτε απλά εδράζεται σε πολυμερικό υπόστρωμα είτε είναι πλήρως εμβαπτισμένο σε πολυμερική μήτρα. Τα δείγματα γραφενίου παρασκευάσθηκαν με την μέθοδο της μηχανικής αποφλοίωσης του γραφίτη με την χρήση κολλητικής ταινίας (scotch tape method). Η διάρθρωση του κειμένου έχει ως εξής: στο εισαγωγικό μέρος παρουσιάζεται αναλυτικά το γραφένιο και οι ιδιότητές του καθώς είναι νέο υλικό, η φασματοσκοπία Raman και η εφαρμογή της στην μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς του γραφενίου. Ακολούθως παρουσιάζονται η προετοιμασία των δειγμάτων, οι διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτέλεση των πειραμάτων και τεχνικές λεπτομέρειες επί αυτών. Έπειτα παρουσιάζεται όλη η μελέτη της μηχανικής απόκρισης του γραφενίου υπό θλιπτικές μονο-αξονικές παραμορφώσεις και στα επόμενα η μελέτη του γραφενίου υπό εφελκυστικές παραμορφώσεις, είτε μονο-αξονικές είτε διαξονικές. Τέλος, αναφέρονται τα συμπεράσματα από την παρούσα μελέτη και προτάσεις για μελλοντική εργασία. Το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας αποτελεί η πειραματική μελέτη του γραφενίου. Το γραφένιο υπόκειται σε μηχανικές παραμορφώσεις με την χρήση των πολυμερικών υποστρωμάτων. Η μέθοδος αυτή είναι απλή και σε συνδυασμό με την φασματοσκοπία Raman αποτελούν έναν από τους πιο αποτελεσματικούς τρόπους για να μελετηθεί το γραφένιο. Όσον αφορά το θεωρητικό μέρος, έγινε αναλυτική προσομοίωση της μηχανικήςσυμπεριφοράς του γραφενίου υπό θλίψη με την εφαρμογή του πρότυπου Winkler και τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (οι αναλύσεις μοριακής δυναμικής έγιναν από τον Δρ. Ε.Ν. Κουκάρα). Επίσης, εξήχθησαν καμπύλες τάσεων-παραμορφώσεων από τα φασματικά δεδομένα Raman της κορυφής 2D και υπολογίσθηκε βάσει αυτών η αντοχή του γραφενίου για εύρος παραμορφώσεων −1.5%- 1.5%.