石墨烯膜层间冲击诱导键合增强的创新策略及其力学-热传导协同调控机制

这篇研究通过分子动力学模拟揭示了多层石墨烯（MLG）在高速冲击下形成永久性层间sp3键的阈值压力（原始石墨烯72 GPa，含2%-3%空位缺陷时降至30-35 GPa），发现缺陷辅助的键合可使双层石墨烯极限强度和应变分别提升20%和60%，同时阐明了sp3键密度与热导率的非单调关系（先抑制后部分恢复）。该工作为二维材料（2D materials）的缺陷敏感型机械增强提供了新范式，并开辟了基于热传输特征的缺陷无损检测路径。

　　

Highlight

本研究揭示了缺陷多层石墨烯在动态冲击下机械性能的非常规增强现象。与传统体材料渐进损伤不同，反复加载形成的层间sp³键使断裂应力和应变分别提升超20%和60%。这些共价键通过抑制面内裂纹扩展显著强化缺陷石墨烯的结构完整性。

Formation of sp³ bonds between graphene layers under impact

如图2(a)所示，球形弹体（SP）撞击圆形石墨烯膜中心。记录冲击力F（作用于弹体的力）和压痕深度D。图2(b)-(c)分别展示弹体的力-位移曲线和动能E_k-位移曲线。当冲击速度V_i < 800 m/s时，弹体未击穿石墨烯膜——冲击过程中力随压痕深度增加而上升，达到峰值后因膜回弹而下降。值得注意的是，在V_i ≥ 800 m/s的高速冲击下，弹体穿透石墨烯时会引发显著的层间sp³键形成。

Conclusion

通过原子尺度分析发现，冲击诱导的sp³键合通过"钉扎效应"阻碍位错运动，同时键合区域会重构声子传输路径（VDOS分析显示低频声子模增强）。这种力学-热学协同调控机制为设计耐极端环境的智能防护材料提供了新思路。