石墨烯對陶瓷材料的增韌機理

      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，并增大了災難性失效幾率，這些致命缺點限制了陶瓷材料在工程方面的應用。為增大陶瓷的應用范圍，其斷裂韌性必須得到改善，使強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、復合增韌、相變增韌、納米增韌等方式消耗裂紋擴展中的能量，或利用第二相材料與基體由于熱膨脹系數不匹配在材料體內產生的殘余熱應力，是長期以來得到廣泛研究與應用的陶瓷材料增韌方法。

      石墨烯通過自身增強增韌、導致裂紋橋接與偏轉及拔出效應等對陶瓷材料增強增韌，顯著提高了陶瓷材料的力學性能。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，據研究發現，在氧化鋯中加入石墨烯的增韌機理主要有以下幾點：

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

（2）石墨烯的引入可使部分四方相發生向單斜相的轉變，使材料內部產生微裂紋，當對材料施加應力時，這部分微裂紋能夠吸收主裂紋所受的應力，防止裂紋的擴展，起到增韌的效果；

（3）石墨烯是一種片狀的結構，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械鎖合，進而提高了氧化鋯基體和石墨烯間的應力傳遞效率，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合力也隨之增強，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的石墨烯墻，從而阻止了裂紋在二維上傳播，使裂紋偏轉方向由二維轉向三維，同時可繼續在三維方向上阻止傳播，有利于在較小的區域內充分消耗斷裂能。而氧化鋯發生相變后，材料內部產生膨脹，原有的結構發生崩塌，石墨烯的包裹和固定作用也可支撐起原有的結構，吸收變化所產生的能量。