石墨烯對陶瓷材料的增韌機(jī)理

      由于陶瓷材料的本身脆性大、韌性低，使其使用可靠性和抗破壞能力差，并增大了災(zāi)難性失效幾率，這些致命缺點(diǎn)限制了陶瓷材料在工程方面的應(yīng)用。為增大陶瓷的應(yīng)用范圍，其斷裂韌性必須得到改善，使強(qiáng)韌性和工作可靠性得到提高。

       通常情況下，在陶瓷基體中加入第二相材料，通過顆粒增韌、纖維增韌、復(fù)合增韌、相變增韌、納米增韌等方式消耗裂紋擴(kuò)展中的能量，或利用第二相材料與基體由于熱膨脹系數(shù)不匹配在材料體內(nèi)產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力，是長期以來得到廣泛研究與應(yīng)用的陶瓷材料增韌方法。

      石墨烯通過自身增強(qiáng)增韌、導(dǎo)致裂紋橋接與偏轉(zhuǎn)及拔出效應(yīng)等對陶瓷材料增強(qiáng)增韌，顯著提高了陶瓷材料的力學(xué)性能。下面我們以幾種陶瓷材料為例了解一下石墨烯具體是如何增韌陶瓷材料的。

以石墨烯增韌氧化物陶瓷為例，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在氧化鋯中加入石墨烯的增韌機(jī)理主要有以下幾點(diǎn)：

（1）石墨烯均勻分布于基體，對晶粒生長起到了釘扎作用，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用；

（2）石墨烯的引入可使部分四方相發(fā)生向單斜相的轉(zhuǎn)變，使材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)對材料施加應(yīng)力時，這部分微裂紋能夠吸收主裂紋所受的應(yīng)力，防止裂紋的擴(kuò)展，起到增韌的效果；

（3）石墨烯是一種片狀的結(jié)構(gòu)，具有非常大的比表面積，其表面粗糙有褶皺，可以提升氧化鋯基體和石墨烯的機(jī)械鎖合，進(jìn)而提高了氧化鋯基體和石墨烯間的應(yīng)力傳遞效率，且石墨烯與氧化鋯基體間有更多的接觸面積，也正是由于接觸面積的變大，石墨烯和氧化鋯基體之間的結(jié)合力也隨之增強(qiáng)，這意味著如果要把氧化鋯從基體中拔出來，需要消耗更多的能量；

（4）石墨烯片在裂紋尖端處可以有效地抑制裂紋的進(jìn)一步生長和繁殖，由于石墨烯在基體晶粒的固定和包裹下，形成了一個沿著晶界連續(xù)的石墨烯墻，從而阻止了裂紋在二維上傳播，使裂紋偏轉(zhuǎn)方向由二維轉(zhuǎn)向三維，同時可繼續(xù)在三維方向上阻止傳播，有利于在較小的區(qū)域內(nèi)充分消耗斷裂能。而氧化鋯發(fā)生相變后，材料內(nèi)部產(chǎn)生膨脹，原有的結(jié)構(gòu)發(fā)生崩塌，石墨烯的包裹和固定作用也可支撐起原有的結(jié)構(gòu)，吸收變化所產(chǎn)生的能量。