珍珠巖也被稱為“自然的盔甲”，由磚石結(jié)構(gòu)組成，其中文石與柔軟的生物聚合物層（砂漿）以類似三文治的結(jié)構(gòu)夾在一起?，F(xiàn)在，美國弗吉尼亞大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)由石墨烯和鋁制成了與珍珠巖具有相同類型結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，并且具有更高的強(qiáng)度和韌性。與自身相比，新型生物復(fù)合材料的硬度提高了210%，強(qiáng)度提高了223%，剛度提高了78%。它可能會(huì)應(yīng)用于汽車，飛機(jī)和火車等對(duì)重量有一定要求的方面，也可能用于需要強(qiáng)勁，堅(jiān)硬和堅(jiān)韌的組件來傳導(dǎo)熱量的下一代電子設(shè)備。
石墨烯/ Al2O3/Al復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)
制備既硬又韌的材料仍是現(xiàn)在需要克服的一大難題。例如，如果一種材料具有較高的硬度，它便會(huì)變得更脆。但大自然已經(jīng)克服了這個(gè)問題——珍珠質(zhì)同時(shí)具有很高的強(qiáng)度和韌性，這要?dú)w功于嵌入有機(jī)生物聚合物基質(zhì)中的層狀硬霰石片晶組成的分層結(jié)構(gòu)。霰石是負(fù)載軸承，它使珍珠巖具有更高的強(qiáng)度，而生物聚合物既能分散載荷又能在其變形時(shí)消散能量。最后，片晶之間的文石片晶和礦物橋梁的表面納米密度使片晶互鎖，防止單個(gè)片晶移動(dòng)。
盡管這個(gè)架構(gòu)看起來很簡(jiǎn)單，但使用傳統(tǒng)的工程流程來生產(chǎn)是非常困難的。到目前為止，大多數(shù)方法依賴于陶瓷/聚合物配置-例如，Al2O3/PMMA層狀復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)上類似珍珠質(zhì)或珍珠質(zhì)樣CaCO3/PAA復(fù)合材料，并且已經(jīng)使用中尺度組合和礦化技術(shù)制成。雖然這些復(fù)合材料比單獨(dú)的組分更堅(jiān)固，但由于它們含有聚合物，所以它們的強(qiáng)度不是很高。
模仿珍珠層的硬/軟/硬結(jié)構(gòu)
現(xiàn)在，研究人員李曉東、張?jiān)苼喴呀?jīng)利用氧化石墨烯中的含氧基團(tuán)來構(gòu)建模擬珍珠層硬/軟/硬結(jié)構(gòu)，如Al/石墨烯/Al2O3復(fù)合材料。由于其超高的硬度和出色的化學(xué)穩(wěn)定性，Al2O3納米粒子是增強(qiáng)聚合物和金屬材料的理想選擇。
制造金屬復(fù)合材料往往需要嚴(yán)格的塑性變形和高溫退火。這些過程不可避免地會(huì)損壞所添加石墨烯的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得機(jī)械強(qiáng)度不能如預(yù)期增加。這便是以前的石墨烯/金屬復(fù)合材料具有比理論預(yù)期更低的強(qiáng)度和剛度的主要原因。
Al2O3作為輔助增強(qiáng)劑
與其尋求一種方法來避免損害所包含的石墨烯，不如提出一種利用氧化石墨烯和Al之間反應(yīng)的巧妙制造方法。研究人員有效地將石墨烯氧化物還原成有缺陷的石墨烯和Al2O3，并以Al2O3為輔助增強(qiáng)劑來補(bǔ)償石墨烯的降解，從而使復(fù)合材料更強(qiáng)。
研究人員通過納米壓痕和拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Al層和Al2O3/石墨烯/ Al2O3層之間的模量差異超過30%，而嚴(yán)重變形的Al基體的延展性僅為10%。并且Al2O3的粗糙度從Al基體增長，這導(dǎo)致這些層之間的親密結(jié)合和幾何互鎖，從而有助于避免大規(guī)模的分層。Al和Al2O3/石墨烯/ Al2O3層之間的模量和延展性的明顯不匹配以及它們之間的緊密結(jié)合使得陶瓷/石墨烯層的行為像硬磚和較軟的Al金屬層，如砂漿，這是一個(gè)與珍珠層非常相似的結(jié)構(gòu)。
擴(kuò)展到其他金屬
他補(bǔ)充說到，這一新型復(fù)合材料可能用于重量和強(qiáng)度都要求很高的應(yīng)用中。例如高速車，重量減輕可以大大降低能耗。另一個(gè)領(lǐng)域是下一代電子產(chǎn)品，它們需要堅(jiān)固、堅(jiān)硬、堅(jiān)韌同時(shí)具有良好導(dǎo)熱性（由于其石墨烯的存在，這一新型材料也具備）的原材料。
研究人員報(bào)道了他們?cè)诩{米快報(bào)DOI：10.1021/acs.nanolett.7b03308中的工作，現(xiàn)在他們希望能優(yōu)化這一Al/石墨烯/ Al2O3復(fù)合材料，并研究如何擴(kuò)大生產(chǎn)。其次，他們希望將在Al中所看到的增強(qiáng)機(jī)制延伸到其他金屬，如Ni，Cu，Ti和Mg。最后，他們將嘗試找出這些復(fù)合材料是否可以在能量收集和能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域有其他可能的應(yīng)用。
來源：材料科技在線
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