折疊多次的紙張比相同長(zhǎng)度的平紙能夠承載更多的重量。類似地，折疊也可以增強(qiáng)石墨烯的機(jī)械性能。

隸屬于UNIST的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，折疊是將大面積單層石墨烯薄膜納入聚合物復(fù)合材料的有效策略，這樣做可以改善機(jī)械強(qiáng)化。

這一突破由杰出教授RodneyS.Ruoff及其多維碳材料中心（CMCM）研究小組領(lǐng)導(dǎo)，該研究小組位于UNIST基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）內(nèi)。來(lái)自意大利特倫托大學(xué)的教授和來(lái)自KAIST的SeunghwaRyu教授和StefanoSignetti博士提供了理論和建模，補(bǔ)充了Ruoff教授小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

該研究小組報(bào)告說(shuō)，他們成功地將A5尺寸，400納米厚的聚碳酸酯薄膜折疊了一半12次。他們的研究結(jié)果表明，這種使用折疊的新方法為包含折疊石墨烯的最終復(fù)合材料片提供了顯著的額外硬化，強(qiáng)化和韌化。

“這項(xiàng)工作源于我對(duì)折疊的興趣。當(dāng)布蘭妮加利文于2002年成為加利福尼亞州的一名高中生時(shí)，她證明了一張長(zhǎng)約1200米的單張紙可以折疊成十二次，”魯夫教授。“在她成功之前，傳統(tǒng)上認(rèn)為紙張或其他材料可以折疊成一半的最大次數(shù)是7次-包括當(dāng)時(shí)最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家。”

“Ruoff教授和我決定嘗試折疊石墨烯，其上附有一層薄薄的聚合物層，這樣我們也可以嘗試使用更小的起始材料來(lái)實(shí)現(xiàn)12倍，”IBS研究所的BinWang博士說(shuō)。

使用水-空氣界面，王博士首先將A5尺寸，400納米厚的聚碳酸酯薄膜折疊成12次，產(chǎn)生毫米厚的散裝材料-這是一項(xiàng)有趣的成就。然后，他將大面積單層石墨烯薄膜“填充”到折疊層壓板中，開(kāi)始使用A5尺寸的400納米厚的聚碳酸酯薄膜，但現(xiàn)在涂有單層A5尺寸的石墨烯，這是由Haofei教授通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的施和同事來(lái)自中國(guó)重慶綠色智能技術(shù)研究所。

“當(dāng)拉上石墨烯時(shí)，石墨烯是最堅(jiān)硬的材料之一，如果它能夠制成無(wú)缺陷材料，那將是最強(qiáng)的材料之一。因此，優(yōu)化其在復(fù)合材料中的加入是一項(xiàng)重要的科學(xué)挑戰(zhàn)，”杰瑞教授說(shuō)道。“王博士還將這種A5大小的聚碳酸酯和石墨烯雙層板折疊了12次，這意味著最終的復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在2^12層，因此有4096層石墨烯，橫向尺寸約為3mmx2mm，厚度約3mm。“

機(jī)械測(cè)試需要最終折疊樣品的較大長(zhǎng)度x寬度（也可以是較薄的）樣品。因此，Wang制作了一系列樣品，每個(gè)樣品有10個(gè)折疊（而不是12個(gè)），并使用“三點(diǎn)彎曲測(cè)試”來(lái)研究它們的機(jī)械響應(yīng)。石墨烯的體積分?jǐn)?shù)非常低，僅為0.085％（小于1000份中的1份），楊氏模量（固有剛度），強(qiáng)度（材料破壞時(shí)的應(yīng)力）和韌性模量（破壞樣品時(shí)消耗的能量）折疊復(fù)合材料的平均增強(qiáng)率分別為73.5％，73.2％和59.1％。僅從石墨烯褶皺中，楊氏模量增加了24.2％，強(qiáng)度增加了25.4％，韌性模量增加了14.5％。請(qǐng)注意，這些值是團(tuán)隊(duì)建模的下限。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也通過(guò)理論與意大利特倫托大學(xué)Pugno教授團(tuán)隊(duì)提供的建模相結(jié)合進(jìn)行了合理化。“這種折疊在加強(qiáng)和加強(qiáng)復(fù)合材料方面起著特殊的作用，”Pugno教授說(shuō)。“與堆疊但不連續(xù)的層的模擬相比，折疊結(jié)構(gòu)可以承受更大的彎曲力，這可以通過(guò)折疊的附加約束產(chǎn)生的改進(jìn)的層-層相互作用來(lái)解釋。”

來(lái)自KAIST的Ryu教授和StefanoSignetti博士提供了理論，使用有限元建模（FEM）來(lái)模擬折疊層壓板的彎曲，并發(fā)現(xiàn)折疊配置相對(duì)于堆疊配置提供了更高的彎曲剛度，相當(dāng)于1024層嵌入式石墨烯“折疊給出的附加約束導(dǎo)致復(fù)合板中存儲(chǔ)的特定變形能量更高，并且與具有相同堆疊層數(shù)但沒(méi)有折疊的板相比，在相同的施加位移處的彎曲力也更高，”來(lái)自KAIST的博士后研究員Signetti博士。

“這項(xiàng)工作中提出的模型可能有助于設(shè)計(jì)嵌入多層三維復(fù)合材料中的其他種類的二維材料，這種材料可以在大尺寸下實(shí)現(xiàn)，”杰瑞教授說(shuō)。“除了機(jī)械加固外，折疊層壓板還有其他潛在的應(yīng)用。”