石墨烯强韧陶瓷基复合材料研究进展Word文档格式.docx
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石墨烯是碳材料的基本组成单元,石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯,可以卷曲形成一维的碳纳米管,还可以堆积成为三维的石墨,通过二维的石墨烯可以构建所有其他维度的碳材料[4]。
同单壁、多壁碳纳米管之间的关系类似,除了严格意义上的石墨烯(单层)外,少数层的石墨层片在结构和性质上明显区别与块体石墨,在广义上也被归为石墨烯的范畴[3]。
图1碳的同素异形体[2]
石墨烯在热学、电学、力学等方面均具有优异的性能,其室温下的热导率约为3000-5000Wm-1K-1,电子迁移率可达10000-20000cm2V-1s-1[5,6],理论和实验研究均表明石墨烯是目前已知的材料中强度和硬度最高的晶体结构[7-13]。
利用原子力显微镜(AFM)和纳米压痕技术可以测量石墨烯的力学性能,如图2所示,不同研究者的测试结果列于表1。
从表1可以看出,机械剥离法制备的石墨烯力学性能较好,其杨氏模量可达1TPa,强度可达130GPa,而化学剥离法制备的石墨烯,由于其表面存在缺陷和含氧官能团,力学性能受到一定影响。
石墨烯优异的性能,使其可作为复合材料中的添加相,实现材料的功能化和结构化。
图2悬浮的石墨烯膜,(a)跨越圆形孔阵列的石墨烯薄片的扫描电子显微镜(SEM)图,(b)石墨烯膜的非接触式AFM图,(c)悬浮的石墨烯薄片的纳米压痕示意图,(d)断裂膜的AFM图[13]
表1石墨烯力学性能的实验测试结果
研究者
研究机构
测试结果
CLee,XWei,JWKysar等
ColumbiaUniversity(USA)
机械剥离法制备的单层石墨烯的杨氏模量为1.0±
0.1TPa,强度为130±
10GPa[13]
CGó
mez-Navarro,MBurghard,KKern
Max-Planck-Institutfü
rFestkö
rperforschung(Germany)
化学还原法制备的单层石墨烯的弹性模量为0.25±
0.15TPa[12]
MPoot,HSJvanderZant
DelftUniversityofTechnology(Netherlands)
当石墨层数在八层以下时,力学性能依赖于石墨烯的层数[11]
3.石墨烯在陶瓷材料中的应用
陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高耐磨性、高化学稳定性等优点,但是脆性是其致命的缺点,限制了陶瓷材料的应用范围,因此,陶瓷材料的强韧化一直是材料学家长期关注的问题。
目前,陶瓷材料的强韧方法包括:
ZrO2相变增韧、纤维增韧、晶须增韧、颗粒增韧等[14]。
随着石墨烯制备、化学修饰和分散技术的成熟,近年来基于石墨烯的复合材料研究进展很快[15-37]。
基于石墨烯优异的力学性能,将其作为强韧相引入陶瓷材料的研究也已展开。
表2石墨烯/陶瓷基复合材料力学性能的研究结果
强韧相
基体
制备方法
实验结果
GrapheneNanosheet
Al2O3
氧化石墨烯与Al2O3机械混合,用一水肼还原,放电等离子烧结(SPS)
添加2wt%,断裂韧性提高53%[28]
十二烷基硫酸钠(SDS)作为分散剂,超声混合,高频感应加热烧结(HFIHS)
添加0.5wt%,断裂韧性提高72%[29]
Graphene
球磨混合,HFIHS
添加3wt%,断裂韧性提高22%[30]
Few-layerGraphene
氧化石墨烯与Al2O3胶体滴定混合,SPS
硬度稍有降低[31]
GraphenePlatelet
ZrO2-toughenedAl2O3(ZTA)
球磨混合,SPS
添加0.81vol%,断裂韧性提高40%[32]
ZrO2
添加3wt%,断裂韧性提高367%[33]
Si3N4
十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为分散剂,超声结合球磨混合,SPS
添加1.5vol%,断裂韧性提高235%[34]
MultilayerGraphene;
ExfoliatedGrapheneNanoplatelet;
NanoGraphenePlatelet
聚乙二醇作为分散剂,高能球磨,热等静压烧结
添加1wt%MultilayerGraphene,断裂韧性提高43%[35]
N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂,超声结合球磨混合,热压烧结和无压烧结
热压烧结,添加0.2wt%,弯曲强度提高3%,断裂韧性提高10%;
无压烧结,添加2wt%,弯曲强度提高147%,断裂韧性提高30%[36]
GraphiteNanosheet
羟基磷灰石(HA)
超声混合,SPS
添加0.5wt%,弯曲强度提高12%[37]
表2列出了不同研究者制备的石墨烯/陶瓷基复合材料力学性能的研究结果。
从表2可以看出,石墨烯在不同的陶瓷基体中(Al2O3、ZTA、ZrO2、Si3N4、HA)均可达到明显的补强增韧的效果,增韧方面的效果尤其突出,其强韧化机制主要包括裂纹的偏转、分支,石墨烯的桥联、断裂、拔出等,如图3和图4所示。
值得注意的是,与纳米颗粒的团聚或纳米纤维之间的纠缠不同,石墨烯材料,特别是化学还原法制备的石墨烯,因其平面形貌和层间相互作用,很容易发生层状堆积。
由于制备技术的限制和石墨烯本身容易团聚的特点,目前作为陶瓷材料强韧相研究的石墨烯材料并不是严格意义上的单层石墨烯,通常为多层的石墨烯,当其厚度方向达到几个纳米时,可称其为石墨烯纳米片。
虽然随着石墨层数的增加,石墨烯中存在缺陷的可能将增加,这将导致其力学性能有所降低,但是石墨烯作为陶瓷材料的强韧相,由于其独特的二维结构和巨大的接触面积,依然可以显著提高陶瓷材料的力学性能,因此围绕石墨烯和石墨烯纳米片展开的陶瓷基复合材料的研究是十分必要的。
图3石墨烯纳米片/氮化硅纳米复合材料中的韧化机制,(a)显微硬度测试预制裂纹(插图),对于裂纹的进一步观察发现在几处位置有石墨烯纳米片对裂纹的桥联,其中的两处展示在高分辨率的SEM图片上,(b)对裂纹的进一步观察发现裂纹曲折的扩展路径,(c)材料的断口形貌揭示了复合材料中存在三维增韧机制[34]
图4(a-c)不同Al2O3/GNS纳米复合材料断口的高分辨SEM图片;
(a)Al2O3/0.25GNS纳米复合材料观察到短的GNS拔出和其与Al2O3基体的结合;
(b)Al2O3/0.5GNS纳米复合材料观察到相对大尺寸的GNS拔出和分离的石墨烯层片(小的白色箭头);
(c)一个多层石墨烯结构和GNS的拔出;
(d)GNS拔出增韧机制和相邻GNS层片滑移现象的示意图;
(e,f)外力作用下晶格中的原子经历滑移运动的示意图[29]
在陶瓷基体中实现石墨烯的强韧作用主要取决于两个关键因素,一是石墨烯的分散,二是基体与石墨烯之间的界面结合。
强韧相在基体中的分布状态对于复合材料的力学性能至关重要,石墨烯由于其平面形貌和层间相互作用,很容易发生层状堆积,因此石墨烯的有效分散对于复合材料力学性能的提高显得尤为重要,众多研究者在此方面进行了大量的研究。
研究结果表明,采用不同的溶剂、添加表面活性剂或对石墨烯进行化学修饰等方法有利于提高石墨烯的分散性[38-41]。
石墨烯在有机介质中的分散效果较好,如NMP;
选用无机介质作为溶剂,通常需要添加分散剂,如阴离子表面活性剂SDS、阳离子表面活性剂CTAB、非离子型表面活性剂聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮等。
为了获得良好的分散效果,石墨烯和基体材料可采用球磨、超声分散、胶体滴定等一种或多种方式依次使用的方法进行混合。
与石墨烯相比,氧化石墨烯表面官能团较多,分散性较好,将氧化石墨烯与陶瓷基体混合,然后用还原剂进行还原,如一水肼、氢气等,可得到分散效果良好的石墨烯/陶瓷基体的混合粉体。
需要注意的是,除了采用多种方法得到分散良好的石墨烯/陶瓷基体的混合浆体,还应注意分散后料浆的干燥方法,避免干燥过程中石墨烯的二次团聚。
为提高石墨烯与基体的界面结合强度,有利于载荷在界面间的传递,可对石墨烯进行物理或化学的表面修饰和改性。
需要注意的是,虽然对石墨烯进行表面修饰有利于其分散和提高界面结合强度,但是由于化学修饰引入的缺陷对石墨烯面内力学性能的降低在复合材料的设计中也应加以考虑。
同时,当石墨烯与基体的界面结合强度过高时,不利于石墨烯拨出增韧机制的发挥,因此对复合材料界面结合强度的控制至关重要,然而目前对于这方面的研究报道还很少。
对于陶瓷基材料,烧结过程对力学性能的影响很大。
采用先进的烧结方法,如热压烧结、热等静压烧结、SPS、HFIHS,可以降低烧结温度、缩短保温时间、有效保护石墨烯的二维结构,获得致密度高、晶粒尺寸均匀细小的复合材料,有利于力学性能的提高。
4.结论与展望
石墨烯具有优异的力学性能,同时其独特的二维结构和巨大的接触面积,使其在陶瓷材料中具有明显的补强增韧的效果。
石墨烯对陶瓷材料强韧作用的实现,关键在于石墨烯的有效分散和基体与石墨烯之间适宜的界面结合,这将是今后研究中需要重点解决的问题。
通过表面改性达到石墨烯的有效分散同时控制其与陶瓷基体的界面结合状态,可实现陶瓷材料补强增韧的可控制备,有利于扩展陶瓷材料的使用范围。
本论文得到国家自然科学基金(81171463)、山东省高校科技计划(J14LA59)、淄博市科技发展计划(2014kj010079)资助。
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