CN109507108B - 一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯与基底之间界面黏着能的测量方法。所述测量方法包括：将石墨烯转移至待测基底的表面，将所述石墨烯以及所述待测基底通过粘接剂制作成多层复合结构的双悬臂梁待测试件；设置初始剥离速率，对双悬臂梁待测试件施加位移载荷进行剥离实验，得到剥离后的双悬臂梁待测试件；使用万用电表结合光谱法，对所述剥离后的双悬臂梁待测试件进行检测，确定最优剥离速率；在所述最优剥离速率下，剥离所述双悬臂梁待测试件，确定所述石墨烯与所述基底之间的界面黏着能。采用本发明所提供的测量方法能够提高界面黏着能测量精度。

Description

一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法

技术领域

本发明涉及黏着能测量领域，特别是涉及一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法。

背景技术

随着石墨烯柔性电子器件等新技术的发展，宏观尺寸的石墨烯材料被广泛应用于各类微电子功能器件的新领域。石墨烯与基底材料的界面黏着能是石墨烯电子元器件制作流程中转移环节的核心参数，甚至决定了器件的质量与使用寿命；因此，界面黏着能这一表征界面强度的力学参数，在石墨烯的工业应用中备受关注，发展便于在工程中推广应用的石墨烯-基底界面黏着能的标准测量方法，具有重要的科学意义与明确的工程应用背景。

双悬臂梁剥离法是实验测定石墨烯-基底界面黏着能的有效手段，该方法对于实验器械的要求较低，实验操作简单，因此，其规范化的操作流程便于工业界的推广与应用。但是，双悬臂梁法测量黏着能存在着突出的问题，即实验结果分散性大，相同的石墨烯与基底材料，由于不同的实验参数设置，如剥离速率的选择，测量所得的黏着能值存在相当大的差异，差异甚至可达一到两个量级，降低了黏着能测量的精度，若剥离速率选择错误，测量结果甚至不正确。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，以解决现有技术中黏着能测量精度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，包括：

将石墨烯转移至待测基底的表面，将所述石墨烯以及所述待测基底通过粘接剂制作成多层复合结构的双悬臂梁待测试件；

设置初始剥离速率，对所述双悬臂梁待测试件施加位移载荷进行剥离实验，得到剥离后的双悬臂梁待测试件；

使用万用电表结合光谱法，对所述剥离后的双悬臂梁待测试件进行检测，确定最优剥离速率；

在所述最优剥离速率下，剥离所述双悬臂梁待测试件，确定所述石墨烯与所述基底之间的界面黏着能。

可选的，所述将石墨烯转移至待测基底的表面，将所述石墨烯以及所述待测基底通过粘接剂制作成多层复合结构的双悬臂梁待测试件，具体包括：

将所述石墨烯通过湿法转移到所述待测基底中心，所述石墨烯以及所述待测基底界面之间依靠范德华力相互黏着吸附；

将所述石墨烯的一侧吸附在所述待测基底的一侧，将第一玻璃条通过粘性胶带粘贴在所述待测基底的另一侧；

另取一个与所述待测基底尺寸相同的备用待测基底；所述备用待测基底未吸附有石墨烯；

将所述石墨烯的另一侧通过粘接剂粘接在所述备用待测基底的一侧；

在所述备用待测基底的另一侧粘贴第二玻璃条，制作成多层复合结构的双悬臂梁待测试件。

可选的，所述石墨烯为气相沉积法制备的单层石墨烯；所述单层石墨烯为纳米薄膜材料的一种，所述纳米薄膜材料还可以为二硫化钼。

可选的，所述待测基底为聚对苯二甲酸类塑料、其他塑料材料、铜以及硅等。

可选的，所述粘接剂为紫外线速干胶。

可选的，所述设置初始剥离速率，对所述双悬臂梁待测试件施加位移载荷进行剥离实验，得到剥离后的双悬臂梁待测试件，具体包括：

在所述双悬臂梁待测试件的一端通过粘性胶带连接金属夹具，所述双悬臂梁待测试件的另一端为自由端；

将所述金属夹具与拉伸装置固定连接，设置初始剥离速率，所述拉伸装置对所述金属夹具施加位移载荷，对所述双悬臂梁待测试件进行双悬臂梁剥离实验。

可选的，所述使用万用电表结合光谱法，对所述剥离后的双悬臂梁待测试件进行检测，确定最优剥离速率，具体包括：

使用万用电表结合光谱法，判断所述粘接剂上是否存在所述石墨烯的电信号及光谱信号，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述粘接剂上存在所述石墨烯的电信号及光谱信号，则根据所述电信号以及所述光谱信号判断所述石墨烯是否完全覆盖于所述粘接剂上，得到第二判断结果；

所述第二判断结果表示为所述石墨烯完全覆盖于所述粘接剂上，确定最优剥离速率；所述最优剥离速率为满足所述第一判断结果以及所述第二判断结果条件下的剥离速率。

可选的，所述在所述最优剥离速率下，剥离所述双悬臂梁待测试件，确定所述石墨烯与所述基底之间的界面黏着能，具体包括：

在所述最优剥离速率下，根据公式G＝Γ以及

确定所述石墨烯与所述基底之间的界面黏着能；其中，G为剥离过程中外加功的应变释放率；Γ为黏着能；F为外加的剥离力；D为位移；E为玻璃长条的杨氏模量，b为玻璃长条的宽度，h为玻璃长条的厚度；a为裂纹扩展的长度，

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，将石墨烯转移至待测基底的表面，将石墨烯以及待测基底通过粘接剂制作成多层复合结构的双悬臂梁待测试件；设置初始剥离速率，对双悬臂梁待测试件施加位移载荷进行剥离实验，得到剥离后的双悬臂梁待测试件；使用万用电表结合光谱法，对剥离后的双悬臂梁待测试件进行检测，确定最优剥离速率；在最优剥离速率下，剥离双悬臂梁待测试件，确定石墨烯与所述基底之间的界面黏着能；本发明以寻求最优剥离速率进行双悬臂梁剥离实验，使石墨烯可以完整的从初始基底上剥离至粘结剂上，因此，石墨烯与基底之间界面黏着能的测量结果准确可靠，避免了双悬臂梁实验中剥离速率的设置的差异对测量结果的影响，为石墨烯/基底结构的纳米复合材料的界面力学性能研究提供可靠的数据依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法流程图；

图2为本发明所提供的双悬臂梁待测试件的制作流程的示意图；

图3为本发明所提供的双悬臂梁剥离实验的示意图；

图4为本发明所提供的以最优剥离速率20μm/s进行双悬臂梁剥离实验时的力-位移曲线；

图5为本发明所提供的界面黏着能-裂纹扩展长度曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，能够提高黏着能的测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法流程图，如图1所示，一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，包括：

步骤101：将石墨烯转移至待测基底的表面，将所述石墨烯以及所述待测基底通过粘接剂制作成多层复合结构的双悬臂梁待测试件。

步骤101为双悬臂梁试件的制作过程，步骤101中石墨烯试件可以为气相沉积法制备的单层石墨烯，待测基底为聚对苯二甲酸类塑料(PolyEthylEnEtErEphthalatE，PET)；石墨烯通过湿法转移到PET基底中心，两者在界面间依靠范德华力相互黏着吸附。为测量石墨烯与PET基底的界面黏着能，制作用于双悬臂梁断裂实验的试件，具体步骤如下：首先取一玻璃条作为支撑石墨烯/PET结构的刚体，将中心石墨烯覆盖的PET基底的另一侧通过粘性胶带与玻璃条粘贴，然后另取一相同尺寸未覆盖石墨烯的PET基底，将其与另一玻璃条粘贴，最后将这两部分(玻璃/PET/石墨烯部分与玻璃/PET部分)通过粘结剂粘贴形成玻璃/PET/石墨烯/粘结剂/PET/玻璃的三明治结构，如图2-图3所示，图3中剥离速率V为实验中可调参数，右侧的层状结构表示试件各层的组成。

本发明选用了紫外线速干胶作为粘结剂，该多层复合结构的双悬臂梁待测试件最外层为二玻璃条，在其底部的两侧通过粘性胶带连接金属夹具，拉伸装置对金属夹具施加位移载荷从而对试件进行双悬臂梁剥离实验。

步骤102：设置初始剥离速率，对所述双悬臂梁待测试件施加位移载荷进行剥离实验，得到剥离后的双悬臂梁待测试件。

步骤102为双悬臂梁剥离实验的过程，将双悬臂梁试件一端的金属夹具固定连接于拉伸装置，试件的一端为自由端。双悬臂梁剥离实验中，通过对金属夹具施加反向的位移载荷，从而使多层结构的试件产生I型裂纹而分离，根据剥离速率的不同，该分离界面可能为石墨烯与待测基底，或者为石墨烯与粘结剂。设置合适的剥离速率，使裂纹产生于石墨烯与待测基底之间，石墨烯通过粘结剂的作用，从待测基底上完整地剥离转移至粘结剂上时，通过分离过程中的载荷-位移关系曲线结合断裂力学分析，即可测得石墨烯/基底之间的黏着能。

步骤103：使用万用电表结合光谱法，对所述剥离后的双悬臂梁待测试件进行检测，确定最优剥离速率。

步骤103为选取最优剥离速率的过程，使用万用电表结合光谱法，对剥离后的试件进行效果评测，判断石墨烯是否自基底剥离转移至粘结剂上；若石墨烯通过粘结剂的作用，从待测基底上剥离转移至粘结剂上时，在粘结剂上可以检测出石墨烯的电信号及光谱信号，若石墨烯未能剥离转移，则在粘结剂上无法检测出石墨烯的电信号及光谱信号。

同时，根据电信号及光谱信号的强弱，可以判断转移石墨烯的质量。本实施例选择150μm/s为初始剥离速率进行双悬臂梁剥离实验，实验后首先对试件进行评测。检测结果为，粘结剂上未能检测出完整的石墨烯的电信号及光谱信号，因此根据拉曼评测结果，对剥离速率进行下降调整，再次进行双悬臂梁剥离实验。

重复上述步骤102与步骤103，依次选择100，75，50μm/s为剥离速率进行双悬臂梁剥离实验，实验后通过拉曼扫描，对转移石墨烯进行评测。检测结果均与150μm/s的结果一致。

进一步下降剥离速率为20μm/s，实验后，拉曼检测结果为，粘结剂上检测出完整的石墨烯信号。表明分离的界面是石墨烯与基底，并且粘结剂上覆盖完整石墨烯。因此该剥离速率下的进行的双悬臂梁实验可以用于石墨烯与基底界面黏着能的测量。

为保证剥离速率的最优性，进一步下降剥离速率为10，5μm/s，实验后，拉曼检测结果为，粘结剂上未能检测出石墨烯的电信号及光谱信号，而PET基底上仍可以检测到完整的石墨烯的电信号及光谱信号；因此，剥离速率下的进行的双悬臂梁实验，分离的界面为石墨烯与粘结剂界面，而非石墨烯与待测基底的界面，因此不可以用于石墨烯与基底界面黏着能的测量。

根据以上系列实验判定，最优剥离速率为20μm/s，因此该剥离速率下的双悬臂梁剥离实验结果，可用于测量石墨烯与待测基底间的界面黏着能；

步骤104：在所述最优剥离速率下，剥离所述双悬臂梁待测试件，确定所述石墨烯与所述基底之间的界面黏着能。

步骤104为计算石墨烯与基底黏着能的过程，通过最优剥离速率下的双悬臂梁剥离实验结果，测量石墨烯与待测基底间的界面黏着能。根据下列公式可计算出石墨烯与特定基底的界面黏着能。首先测得双悬臂梁剥离实验过程中的力-位移曲线，满足下列公式：

其中，F与D分别为外加的剥离力与位移，为实验中外加的可控参量。式(1)中的其余参数为材料常数，E，b，h分别为玻璃长条的杨氏模量，宽度，厚度。a为裂纹扩展的长度，此长度即为试件边缘到裂纹尖端的距离，该参数通过式(1)可以计算得到：

该剥离过程中的外加功的应变释放率G可以通过下列公式给出，

通过将(2)式计算所得的裂纹扩展长度代入(3)式，即可得能量释放率随裂纹扩展的曲线。该曲线通常表现为先增加后稳定的趋势，该过程可以用最简单的裂纹扩展准则来描述，即当能量释放率G等于石墨烯/基底界面的黏着能Γ时(G＝Γ)，石墨烯与基底间的界面出现裂纹，石墨烯与基底发生法向分离。因此，根据传统的的裂纹扩展准则，当能量释放率趋于稳定值时，则该值被认为是石墨烯与待测基底的黏着能。

在该剥离过程中，如图4-图5所示，其中，玻璃长条的材料常数分别为杨氏模量80GPa，宽度5mm，厚度(1mm)。通过测得的力-位移曲线计算石墨烯剥离过程中的裂纹扩展长度，进而得到能量释放率随裂纹扩展的曲线。根据能量释放率的稳定值，给出石墨烯与PET基底的界面黏着能为2.5J/m²。

至此，通过反复进行双悬臂梁剥离实验与质量检测，选择出最优的剥离速率，进而准确测量出石墨烯与PET基底间的界面黏着能，从而为石墨烯/基底结构的纳米复合材料的界面力学性能研究提供可靠的数据依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，其特征在于，包括：将石墨烯转移至待测基底的表面，将所述石墨烯以及所述待测基底通过粘接剂制作成多层复合结构的双悬臂梁待测试件；

设置初始剥离速率，对所述双悬臂梁待测试件施加位移载荷进行剥离实验，得到剥离后的双悬臂梁待测试件；

使用万用电表结合光谱法，对所述剥离后的双悬臂梁待测试件进行检测，确定最优剥离速率；具体包括：使用万用电表结合光谱法，判断所述粘接剂上是否存在所述石墨烯的电信号及光谱信号，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示为所述粘接剂上存在所述石墨烯的电信号及光谱信号，根据所述电信号以及所述光谱信号判断所述石墨烯是否完全覆盖于所述粘接剂上，得到第二判断结果；所述第二判断结果表示为所述石墨烯完全覆盖于所述粘接剂上，确定最优剥离速率；所述最优剥离速率为满足所述第一判断结果以及所述第二判断结果条件下的剥离速率；

在所述最优剥离速率下，剥离所述双悬臂梁待测试件，确定所述石墨烯与所述基底之间的界面黏着能。

2.根据权利要求1所述的石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，其特征在于，所述将石墨烯转移至待测基地的表面，将所述石墨烯以及所述待测基地通过粘接剂制成多层复合结构的双悬臂梁待测试件，具体包括：

将所述石墨烯通过湿法转移到所述待测基底中心，所述石墨烯以及所述待测基底界面之间依靠范德华力相互黏着吸附；

将所述石墨烯的一侧吸附在所述待测基底的一侧，将第一玻璃条通过粘性胶带粘贴在所述待测基底的另一侧；

另取一个与所述待测基底尺寸相同的备用待测基底；所述备用待测基底未吸附有石墨烯；

将所述石墨烯的另一侧通过粘接剂粘接在所述备用待测基底的一侧；在所述备用待测基底的另一侧粘贴第二玻璃条，制作成多层复合结构的双悬臂梁待测试件。

3.根据权利要求2所述的石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，其特征在于，所述石墨烯为气相沉积法制备的单层石墨烯。

4.根据权利要求2所述的石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，其特征在于，所述待测基底为聚对苯二甲酸类塑料。

5.根据权利要求2所述的石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，其特征在于，所述粘接剂为紫外线速干胶。

6.根据权利要求2所述的石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，其特征在于，所述设置初始剥离速率，对所述双悬臂梁待测试件施加位移载荷进行剥离实验，得到剥离后的双悬臂梁待测试件，具体包括：

在所述双悬臂梁待测试件的一端通过粘性胶带连接金属夹具，所述双悬臂梁待测试件的另一端为自由端；

将所述金属夹具与拉伸装置固定连接，设置初始剥离速率，所述拉伸装置对所述金属夹具施加位移载荷，对所述双悬臂梁待测试件进行双悬臂梁剥离实验。

7.根据权利要求1所述的石墨烯与基底之间的界面黏着能的测量方法，其特征在于，所述在所述最优剥离速率下，剥离所述双悬臂梁待测试件，确定所述石墨烯与所述基底之间的界面黏着能，具体包括：在所述最优剥离速率下，根据公式G＝Γ以及

确定所述石墨烯与所述基底之间的界面黏着能；其中，G为剥离过程中外加功的应变释放率；Γ为黏着能；F为外加的剥离力；D为位移；E为玻璃长条的杨氏模量，b为玻璃长条的宽度，h为玻璃长条的厚度；a为裂纹扩展的长度，

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