石墨烯增韧陶瓷，靠谱！

由于陶瓷材料的本身脆性大、韧性低，使其使用可靠性和抗破坏能力差，并增大了灾难性失效几率，这些致命缺点限制了陶瓷材料在工程方面的应用。为增大陶瓷的应用范围，其断裂韧性必须得到改善，使强韧性和工作可靠性得到提高。

通常情况下，在陶瓷基体中加入第二相材料，通过颗粒增韧、纤维增韧、复合增韧、相变增韧、纳米增韧等方式消耗裂纹扩展中的能量，或利用第二相材料与基体由于热膨胀系数不匹配在材料体内产生的残余热应力，是长期以来得到广泛研究与应用的陶瓷材料增韧方法。

石墨烯作为结构材料增强体的优势在于其优异的机械性能和独特的物理/化学性能，例如，其拉伸强度可达130GPa，杨氏模量和弹性模量分别高达1100GPa、0.5~1TPa，赋予了优于碳纳米管等其他碳同素异形体材料的众多优势。另外，石墨烯的高比表面积（2630m2g-1）提供了与基体更大的作用面积。

石墨烯对陶瓷材料的增韧机理

石墨烯通过自身增强增韧、导致裂纹桥接与偏转及拔出效应等对陶瓷材料增强增韧，显著提高了陶瓷材料的力学性能。下面我们以几种陶瓷材料为例了解一下石墨烯具体是如何增韧陶瓷材料的。

1、石墨烯增韧氧化物陶瓷

以石墨烯增韧氧化物陶瓷为例，据一些研究者研究发现，在氧化锆中加入石墨烯的增韧机理主要有以下几点：

（1）石墨烯均匀分布于基体，对晶粒生长起到了钉扎作用，从而达到细化晶粒的作用；

（2）石墨烯的引入可使部分四方相发生向单斜相的转变，使材料内部产生微裂纹，当对材料施加应力时，这部分微裂纹能够吸收主裂纹所受的应力，防止裂纹的扩展，起到增韧的效果；

（3）石墨烯是一种片状的结构，具有非常大的比表面积，其表面粗糙有褶皱，可以提升氧化锆基体和石墨烯的机械锁合，进而提高了氧化锆基体和石墨烯间的应力传递效率，且石墨烯与氧化锆基体间有更多的接触面积，也正是由于接触面积的变大，石墨烯和氧化锆基体之间的结合力也随之增强，这意味着如果要把氧化锆从基体中拔出来，需要消耗更多的能量；

（4）石墨烯片在裂纹尖端处可以有效地抑制裂纹的进一步生长和繁殖，由于石墨烯在基体晶粒的固定和包裹下，形成了一个沿着晶界连续的石墨烯墙，从而阻止了裂纹在二维上传播，使裂纹偏转方向由二维转向三维，同时可继续在三维方向上阻止传播，有利于在较小的区域内充分消耗断裂能。而氧化锆发生相变后，材料内部产生膨胀，原有的结构发生崩塌，石墨烯的包裹和固定作用也可支撑起原有的结构，吸收变化所产生的能量。

简单来讲，石墨烯增韧氧化锆陶瓷要点为：石墨烯能包裹着氧化锆晶粒，抑制氧化锆的聚晶长大，石墨烯的添加后，氧化锆中会出现四方相向单斜相的转变，产生微裂纹抑制主裂纹的扩展，达到增韧的效果；石墨烯会连接着氧化锆不同的区域，使氧化锆更加致密，使石墨烯的拔出需要消耗更多的能量，从而来达到增强增韧的效果。

2、石墨烯增韧硼化物陶瓷

石墨烯引入硼化物陶瓷中可以显著提高其力学性能，原因可归纳如下：

（1）石墨烯的润滑作用使得烧结初期颗粒重排的过程加快；

（2）在烧结后期，石墨烯还可通过去除含氧杂质提高试样的传质速率，从而提高烧结体的致密度；

（3）石墨烯的加入使复合陶瓷的断裂方式由原本的穿晶断裂变为沿晶断裂和穿晶断裂并存；

（4）石墨烯的引入在陶瓷材料的断裂过程中产生裂纹偏转和桥接，从而提高硼化物陶瓷的断裂韧性。但是需要指出的是，石墨烯在高温烧结的条件下易团聚和损毁，导致其强韧化效果难以充分发挥。

3、石墨烯增韧氮化物陶瓷

在氮化物陶瓷中加入石墨烯可以降低其晶粒尺寸，同时石墨烯的存在也可促使裂纹在扩展时发生偏转，从而提高复合陶瓷的断裂韧性。但应该指出的是，引入的石墨烯会与氮化物陶瓷基质中的杂质发生反应，产生孔隙。另外，石墨烯易出现严重的团聚现象，也会导致复合陶瓷力学性能的降低。

4、石墨烯增韧碳化物陶瓷

以碳化硼为例，与不添加石墨烯的B4C陶瓷相比，通过石墨烯增韧的碳化硼陶瓷其韧性能提高约50％。其原因是：

（1）石墨烯的加入导致了裂纹发生大角度的偏转，使得裂纹尖端的应力强度显著降低；

（2）石墨烯的引入导致了裂纹发生分叉，这也有助于复合陶瓷断裂韧性的提高；

（3）单层石墨烯和多层石墨烯共同导致的裂纹桥接作用。

在碳化物陶瓷中引入少量石墨烯可以抑制陶瓷晶粒的长大，去除晶界上的氧化物杂质，从而提高碳化物陶瓷的断裂韧性。但是需要注意的是，随着石墨烯纳米片添加量的增多，其与基质之间的化学反应也加剧，使得石墨烯损毁严重，并在陶瓷材料中产生较多的孔隙，最终导致复合陶瓷致密度和力学性能的下降。

总结

石墨烯增强结构陶瓷材料目前已得到较为广泛的研究，已研究用于增强各类碳化物、氮化物和氧化物陶瓷基体，石墨烯可在基体中均匀分散，经研究证明均可得到不同强化效果。但目前仍存在一些问题：

（1）石墨烯易堆叠是抑制石墨烯发挥其增韧效果的根本原因，解决这一问题的关键在于混料的均匀性以及如何在烧结过程中保持石墨烯的形貌及结构，放电等离子体烧结和高频感应加热烧结时间短，被证明是有利于保持石墨烯结构的两种方法。而目前广泛采用的方法是放电等离子体烧结，探索更多石墨烯增强陶瓷材料烧结的适宜方法，对提高石墨烯增强增韧效果具有推动作用；

（2）石墨烯的添加量较小，许多研究发现继续增大石墨烯含量，复合陶瓷材料的强度和韧性反而下降，因此，如何能进一步提高石墨烯的增强增韧效果需要进一步研究和探索。

优化混料机烧结制备工艺，进一步改善石墨烯的分散，以及制备出单层或少层石墨烯，提高单层石墨烯含量，最大可能性发挥石墨烯的优势是进一步提高结构陶瓷材料强韧性的途径。

参考来源：

[1]赵宇航.石墨烯增强增韧氧化锆陶瓷的机制

[2]曾渊.石墨烯增强增韧非氧化物陶瓷的研究进展

[3]杨建东.石墨烯增韧结构陶瓷材料研究进展

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