石墨烯拥有独特的二维晶体结构,同时兼具力、电、光、热等诸多优异的物理特性,因此在纳米复合材料、柔性电子器件、微纳机电系统等领域展现出广阔的应用前景。传统理论指出,材料、器件的宏观功能表现很大程度上依赖其界面的结合力和稳定性。而当材料尺寸降至纳米尺度后,原本微弱的非经典力作用(如范德华力、静电力等)变得更加不可忽略,甚至在变形行为中占据主导地位,使得界面力学问题更加显著。另一方面,石墨烯由于具有原子级的厚度以及超高的比表面积,相比于传统材料将引入更多界面相面积,对界面作用力也更加敏感,因此石墨烯也是研究纳米尺度界面摩擦和粘附特性的一个理想选择。本文发展了一个多尺度的实验检测平台,即宏观上实施可控的变形加载,细观上观测显微形貌的演化,微观上测量材料局部的应变响应,进而针对石墨烯与不同材料基底的界面力学性能和行为展开了相关研究,具体研究内容如下:1、研究了单层石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯材料体系在轴向拉伸变形过程中的微观界面力学行为。利用拉曼光谱记录石墨烯在不同应变下的力学响应,结合非线性剪滞模型分析弹性变形和剪切滑移两个阶段的应力传递,获取界面剪切强度、界面刚度等关键力学参数。在此基础上,探讨了多次循环加载条件下界面稳定性,并利用原子力显微镜表征变形过程中表面形貌的演化,分析界面性能改变的微观机制。进一步,通过化学修饰的方法改变石墨烯与基体的键合作用类型,修正非线性剪滞模型指导界面力学性能的微观调控,最终寻求界面的优化设计。2、研究了聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯“三明治”结构体系在双向压缩变形过程中的微观界面力学行为。利用拉曼光谱探测石墨烯在不同应变下的力学响应,揭示其微观变形演化的三个阶段,即弹性压缩变形阶段,欧拉屈曲变形阶段以及界面局部脱粘阶段。在弹性压缩变形阶段,结合宏观力学载荷和微观局部应变,推算石墨烯的表观压缩模量。在欧拉屈曲变形阶段,分析尺寸和层数对临界屈曲应变的影响,并探究其在多次循环加载条件下的界面稳定性。对于界面局部脱粘阶段,利用拉曼光谱表征界面的失效模式,建立力学模型描述其微观力学行为,提取临界脱粘应变等力学参数。3、研究了鼓泡变形过程中单层石墨烯与硅基底的界面力学性能。发展了基于微孔鼓泡-探针技术-拉曼光谱联用的力学检测平台,其中利用原子力显微镜表征孔内石墨烯的离面位移,采用拉曼光谱监测孔外界面剪切作用区域的可控扩展。在Hencky解的基础上,考虑孔外界面的剪切变形,修正了边界条件,建立力学模型解析石墨烯与硅基底之间的界面剪切应力。同时,通过调控压力载荷使界面产生脱粘,结合理想气体状态方程和能量分析,推算其界面粘附能。利用原子力显微镜观测鼓泡脱粘后的形貌演化,揭示界面剪切滑移变形与边界条件对脱粘行为以及鼓泡形貌的影响。4、研究了多层石墨烯层间界面力学性能的测量与调控。基于上述力学检测平台,我们对双层石墨烯实施可控加载,并监测孔外石墨烯层间剪切作用区域的扩展。结合修正的Hencky理论,首次实现双层石墨烯层间剪切应力的精确测量。利用超低波数拉曼光谱探测多层石墨烯的剪切振动模,结合线性链模型拟合获得层间剪切力常数,并推算层间剪切模量。进一步通过对石墨烯硼掺杂处理实现石墨烯层间距及层间耦合作用的有效调控,探究其对双层石墨烯在纳米压痕试验中力学行为的影响。