近日，來自清華大學(xué)等單位的研究者，提出了一種之前未曾報(bào)道的方法，將有序的二維石墨烯陣列嵌入陶瓷基體中，將脆性陶瓷的災(zāi)難性斷裂破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的裂紋擴(kuò)展行為，使機(jī)械韌性提高250-500%。

　　將二維(2D)石墨烯片分散到三維材料矩陣中，是一種很有前途的方法，可以獲得大量單個(gè)石墨烯片特殊的力學(xué)和電學(xué)性能，方便于宏觀應(yīng)用。然而，由于石墨烯片在3D結(jié)構(gòu)中的分布和取向不受控制，石墨烯-基體鍵合能力弱，載荷傳遞能力差，這在很大程度上受到了限制。

　　在過去的十年里，石墨烯的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了全世界對(duì)其獨(dú)特性質(zhì)的興趣。盡管石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)電性，但其更大應(yīng)用的研究仍在進(jìn)行中。一個(gè)很有前途的主要方向是用石墨烯作為內(nèi)部填充劑來制造復(fù)合材料;石墨烯層在空間上是孤立的，可能保持其二維狀態(tài)，因此可以批量獲得石墨烯層的驚人特性。同時(shí)，復(fù)合材料通過石墨烯填料進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)化，并具有熱、電、屏蔽等多種功能。

　　雖然關(guān)于聚合物和金屬基質(zhì)復(fù)合材料的報(bào)道很多，但由于工藝上的巨大挑戰(zhàn)，陶瓷基含石墨烯填料的復(fù)合材料在幾年前才剛起步。如果石墨烯層能夠很好地分散和定向，那么具有高熔點(diǎn)的絕緣、剛性和化學(xué)惰性陶瓷可以作為石墨烯填充劑的獨(dú)特基體，使其在各種惡劣環(huán)境下達(dá)到二維狀態(tài)并最大限度地發(fā)揮其內(nèi)在性能。

　　文中，研究者提出了一種將二維石墨烯陣列均勻分散組裝到陶瓷基體中的通用而精細(xì)的策略。與傳統(tǒng)工藝完全不同的是，研究者并不首先制造石墨烯，而是從一種普通的、廉價(jià)的工業(yè)原料——可膨脹石墨開始。通過在微波爐中處理，石墨烯層之間的層間空間被擴(kuò)大。在有機(jī)偶聯(lián)劑的作用下，液態(tài)陶瓷前驅(qū)體可以在真空條件下插入層間空間。通過這種方式，陶瓷層和石墨烯層可以在分子水平上交替混合和堆積，最終形成分散均勻、排列有序的石墨烯層的復(fù)合材料。偶聯(lián)劑的使用使基體與填料之間的結(jié)合更加緊密，有效地傳遞了載荷，提高了力學(xué)性能。在這里，脆性陶瓷的突變斷裂失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定裂紋擴(kuò)展行為，機(jī)械韌性提高250~500%。在塊體陶瓷中獲得了前所未有的低干滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.06，這主要是由于有序的2D石墨烯陣列抑制了微裂紋的擴(kuò)展。這些獨(dú)特的、低成本的二維石墨烯陣列/陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能性能，使其可以在的惡劣環(huán)境中應(yīng)用。

　　綜上所述，研究者提出了一種之前未報(bào)道的策略，即通過將陶瓷前驅(qū)體化學(xué)插層到低成本可膨脹石墨中，將二維石墨烯平行排列到陶瓷基體中。有序的2D石墨烯陣列將脆性陶瓷的災(zāi)難性斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的傳播行為，機(jī)械韌性提高250-500%，機(jī)械強(qiáng)度提高30%-50%。本文展示了一種前所未有的方法，通過將二維石墨烯陣列嵌入絕緣、硬化和化學(xué)惰性陶瓷基體中，來獲得大量單個(gè)石墨烯層的先進(jìn)性能，這種方法在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用尤為重要。

　　相關(guān)論文題為“Embeddingtwo-dimensionalgraphenearrayinceramicmatrix”發(fā)表在ScienceAdvances上。

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