Response of 2D materials due to mechanical stimuli
Authors: Μπέλλου Έλλη 
Published: February 2025

Τα γραφενικά υλικά παρουσιάζουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, οι οποίες τα καθιστούν κατάλληλα για χρήση σε διάφορες προηγμένες εφαρμογές. Ωστόσο, η παρουσία ατελειών μπορεί να υποβαθμίσει τις ιδιότητες αυτές, καθώς λειτουργούν ως σημεία συγκέντρωσης τάσης, οδηγώντας σε πρόωρη αστοχία των υλικών. Επομένως, η γνώση των παραμέτρων που επηρεάζουν τη θραύση, καθώς και των μηχανισμών που καθυστερούν την τελική θραύση του υλικού είναι μείζονος σημασίας. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η θραυστομηχανική συμπεριφορά του γραφενίου, το οποίο έχει εναποτεθεί σε πολυμερικό υπόστρωμα, καθώς και η συμπεριφορά νανοσύνθετων πολυστρωματικών μεμβρανών με βάση το γραφένιο. Επιπλέον, το γραφένιο εισάγεται ως έγκλεισμα σε πολυμερική μήτρα, για τη μελέτη της συμπεριφοράς του poly(methyl methacrylate) (PMMA), το οποίο είναι ένα πολυμερές που χρησιμοποιείται ευρέως σε τεχνολογικές εφαρμογές. Για την υλοποίηση της παρούσας διατριβής επιστρατεύεται η φασματοσκοπία Raman και η Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης (AFM), σε συνδυασμό με μηχανικές δοκιμές μικρο-εφελκυσμού. Συγκεκριμένα, ενδελεχής έρευνα διεξάγεται σχετικά με την επίδραση μιας ατέλειας στη θραυστομηχανική συμπεριφορά και στη μορφολογία του γραφενίου, κατά την άσκηση εξωτερικού φορτίου. Η δημιουργία μιας τεχνητής ατέλειας μπορεί να προσομοιώσει συστήματα σε πραγματικές συνθήκες, στα οποία η ύπαρξη ατελειών είναι αναπόφευκτη. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται δείχνουν ότι η ύπαρξή της επηρεάζει σημαντικά τη μηχανική συμπεριφορά και την αντοχή στη θραύση του γραφενίου και των γραφενικών νανοσυνθέτων. Επομένως, η μελέτη της κατανομής της τάσης κοντά σε ατέλειες, όταν ασκείται εξωτερική παραμόρφωση, είναι υψηλής σημασίας, καθώς δυνητικά η αύξηση της συγκέντρωσης τάσης μπορεί να οδηγήσει στην έναρξη και διάδοση ρωγμών. Στην παρούσα διατριβή, εξετάζεται η θραυστομηχανική συμπεριφορά νανοσύνθετων πολυστρωματικών μεμβρανών γραφενίου παραγόμενου μέσω της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD), καθώς και μηχανικά αποφλοιωμένων γραφενικών φύλλων. Συγκεκριμένα, μελετάται η χρήση μονοστρωματικών CVD γραφενικών φύλλων τόσο ως αισθητήρας τάσης σε πολυμερή, όσο και ως ενισχυτική φάση ενός νανοσυνθέτου, δίνοντας έμφαση στην ανάλυση της κατανομής της τάσης κοντά στην ατέλεια. Κατά τη μελέτη των νανοσυνθέτων, παρατηρείται η ανάπτυξη μηχανισμών που εμποδίζουν τη θραύση του υλικού, λόγω της διάχυσης της ενέργειας κατά την έναρξη ρωγμών. Τα ευρήματα αυτής της έρευνας προσφέρουν μια ολοκληρωμένη κατανόηση της μηχανικής θραύσης υλικών με βάση το γραφένιο, διευκολύνοντας την αξιοποίηση των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους. Στην περίπτωση του μηχανικά αποφλοιωμένου γραφενίου, εκτεταμένη ανάλυση πραγματοποιείται σχετικά με την θραύση μονοστρωματικών και πολυστρωματικών φύλλων γραφενίου, στα οποία έχει δημιουργηθεί μια ατέλεια, αποκαλύπτοντας μοναδικά μοτίβα πτυχώσεων, λόγω της εξωτερικά εφαρμοζόμενης παραμόρφωσης.Η διατριβή χωρίζεται εννοιολογικά σε 6 Κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθονται πληροφορίες σχετικά με το γραφένιο και τις εξαιρετικές του ιδιότητες, οι οποίες το καθιστούν ελκυστική επιλογή για την ενίσχυση άλλων υλικών. Το Κεφάλαιο 2 πραγματεύεται βασικές έννοιες της θραυστομηχανικής, εστιάζοντας στους παράγοντες που επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφορά του γραφενίου, καθώς και γραφενικών νανοσυνθέτων. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή. Στο Κεφάλαιο 4 προτείνεται η χρήση CVD γραφενίου ως αισθητήρας για την ποσοτικοποίηση της τάσης κοντά σε κυκλική ατέλεια, καθώς και για την εξαγωγή παραμέτρων που σχετίζονται με την αντοχή του υλικού στη θραύση, όπως ο Συντελεστής Συγκέντρωσης Τάσεων (SCF). Τα αποτελέσματα επαληθεύτηκαν μέσω της Ανάλυσης Πεπερασμένων Στοιχείων, με τις τιμές του SCF να είναι εξαιρετικά παρόμοιες, υποδεικνύοντας ότι το CVD γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς ως αισθητήρας για την εκτίμηση της κατανομής τάσης κοντά σε ατέλειες σε πολυμερή και πολυμερικά σύνθετα υλικά. Το Κεφάλαιο 5 πραγματεύεται τη μελέτη των μηχανισμών θραύσης νανοσύνθετων πολυστρωματικών μεμβρανών CVD γραφενίου, όταν αυτές υποβάλλονται σε εφελκυσμό. Διεξοδική έρευνα για τη συμπεριφορά θραύσης τους αποκαλύπτει ότι η ενσωμάτωση χαμηλών ποσοστών γραφενίου οδηγεί σε βελτίωση της αντοχής των γραφενικών μεμβρανών στη θραύση. Αντιθέτως, η ενσωμάτωση υψηλότερου γραφενικού ποσοστού καθιστά το νανοσύνθετο πιο ψαθυρό, παρά τη βελτίωση των μηχανικών του ιδιοτήτων. Στο Κεφάλαιο 6 μελετώνται οι μηχανισμοί θραύσης και οι μορφολογικές μεταβολές σε μηχανικά αποφλοιωμένα γραφενικά φύλλα, στα οποία έχει δημιουργηθεί μια νανο-εγκοπή. Η μελέτη αυτών των συστημάτων αποκαλύπτει νέα πεδία εφαρμογών και συμβάλλει στην ανάπτυξη του πεδίου της νανοτεχνολογίας, μέσω του σχεδιασμού και της βελτιστοποίησης νανουλικών με προσαρμοσμένες ιδιότητες και λειτουργικότητες για μελλοντικές εφαρμογές. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής και προτείνονται εναλλακτικές προσεγγίσεις για την περαιτέρω διερεύνηση της θραυστομηχανικής συμπεριφοράς 2D υλικών και άλλων νανοσύνθετων. Συνοψίζοντας, η μελέτη της συμπεριφοράς θραύσης διαφόρων συστημάτων μπορεί να προσφέρει πολύτιμες γνώσεις για τους μηχανισμούς θραύσης που δρουν συνεργατικά, βελτιώνοντας την αντοχή στη θραύση των υλικών.