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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欧洲盘。为增大陶瓷的欧洲盘范围,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欧洲盘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。下面欧洲盘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。


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