近期，国际权威期刊《Nano Letters》刊登了中国科学院力学研究所魏宇杰研究员科研团队在偏折裂纹尖端应力场的求解方面的研究进展。论文题目是《二维材料中的纳米级褶皱实现其三维结构的高强度和高韧性》（Roughening for Strengthening and Toughening in Monolayer Carbon Based Composites）。研究团队通过原子尺度模拟和理论分析，报道了高强度和高韧性的堆叠无定形碳基复合材料，并揭示了纳米级褶皱产生的增强增韧这一反常规机制。

　　石墨烯等低维碳基材料具有极高的面内强度和杨氏模量，但其三维堆叠结构难以继承这些优势且表现出极端脆性。我们通过原子尺度模拟和理论分析，设计了基于二维无定形碳薄膜的堆叠结构（如图3所示），与大多堆叠结构材料不同的是，它们同时实现了高强度（~GPa）和类塑性的大变形。对变形过程分析发现，大量初始缺陷引起的表面粗糙度和单原子层固有的面外柔性是其增强增韧的两个关键因素。在拉伸过程中，表面大量的纳米级褶皱会带来不均匀的小尺度层间界面滑移，从而导致剪应力的不均匀分布和类塑性变形，避免了材料的突然失效。这些结论对其他类型的原子尺度薄膜材料具有普遍性，为提高范德华异质结构的韧性，有效避免灾难性失效提供了新的策略。

　　力学所博士研究生谢文慧为第一作者，魏宇杰研究员为通讯作者。

　　以上研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题研究” (基金号11988102) 资助。论文链接：

　　https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01462。

图16: 二维无定形碳的三维堆叠，由此产生的非晶碳基复合材料具有高强度（~3.5 GPa）和良好的韧性。堆叠结构示意图和原子构型（左），层中的纳米级褶皱是增强增韧源头；堆叠片层尺寸b对复合材料力学性能的影响（右）。