二维石墨烯阵列嵌入陶瓷基体的突破性研究：从超低摩擦系数到电磁屏蔽性能的革命性提升
一、研究团队与发表信息
本研究由清华大学材料科学与工程学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的孙川、黄宇佳、潘伟（通讯作者）等团队主导，联合湘潭大学材料科学与工程学院等机构合作完成，发表于*Science Advances*期刊2020年9月23日第6卷第39期（DOI: 10.1126/sciadv.abb1338）。
二、学术背景与研究目标
石墨烯因其卓越的机械强度（理论模量1 TPa）和导电性，被视为复合材料理想的增强相。然而，传统方法中石墨烯在三维基体中的分散性差、取向不可控、与基体结合弱等问题严重限制了其性能发挥。陶瓷材料虽具备高熔点、化学惰性等优势，但其本征脆性和高摩擦系数（0.5–1.0）制约了其在摩擦学（tribology）和极端环境中的应用。本研究提出了一种创新策略：通过将有序二维石墨烯阵列（2D graphene array）嵌入陶瓷基体，实现力学性能与功能特性的协同提升，目标包括：
1. 解决石墨烯分散与取向控制的科学难题；
2. 开发兼具高韧性（toughness）和超低摩擦系数（friction coefficient）的陶瓷复合材料；
3. 探索其在电磁屏蔽（EMI shielding）等领域的多功能潜力。
三、研究流程与方法学创新
1. 材料制备流程
研究采用七步法（图1），核心突破在于以低成本可膨胀石墨（expandable graphite）为原料，而非直接使用昂贵的石墨烯：
- 步骤1：微波膨胀
通过微波加热（15–20秒）使石墨层间距扩大数十至数百倍，形成膨胀石墨（EG）。
- 步骤2：真空渗透
在真空辅助下，将液态陶瓷前驱体（如SiO₂溶胶）与硅烷偶联剂（KH570）渗入EG层间，实现分子级混合。
- 步骤3–5：超声均质化与蒸发诱导预排列
通过超声分散和溶剂蒸发诱导石墨烯/陶瓷氢氧化物片层定向排列，形成平行堆叠结构（SEM证实，图S1h）。
- 步骤6–7：热处理与放电等离子烧结（SPS）
600°C去除有机物后，在1350–1400°C、40 MPa压力下SPS烧结，压力方向使石墨烯片层垂直取向（图S2）。
2. 微观结构表征
- SEM/TEM分析（图2）：
复合材料中石墨烯片层（6–8层，层间距0.5 nm）均匀分散，与陶瓷基体（SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂）形成强化学键（XPS证实Al─O─C键，图2f）。
- 拉曼光谱（图S5a）：
D/G峰强度比（I_D/I_G）升高表明石墨烯与基体界面存在缺陷，佐证了强相互作用。
3. 性能测试
- 摩擦学测试（图3）：
采用球-盘摩擦仪（UMT-5），在5–30 N载荷下，5 vol%石墨烯/Al₂O₃复合材料的干滑动摩擦系数低至0.06，创陶瓷材料新纪录。SEM显示磨损表面形成石墨烯润滑膜（图3a），而纯陶瓷表面则出现微裂纹（图S6b）。
- 力学性能测试：
- 三点弯曲强度：石墨烯/Al₂O₃提升32%（560±6 MPa vs. 424±8 MPa）；
- 断裂韧性（K_IC）：通过单边V型缺口梁（SEVNB）测试，石墨烯/ZrO₂的K_IC达7.44±0.08 MPa·m^1/2，较基体提升300%（图4a）。
- 电磁屏蔽性能（图5）：
石墨烯/ZrO₂在X波段（8.2–12.4 GHz）的屏蔽效能（SE）达43.5 dB，以吸收损耗（SE_A）为主导机制（图5c），归因于石墨烯阵列的多重反射效应。
四、核心结果与机理
1. 超低摩擦系数机制：
- 石墨烯阵列抑制微裂纹扩展（图4d），通过Cook-Gordon效应（Cook-Gordon effect）钝化裂纹尖端；
- 磨损过程中石墨烯膜的自润滑作用降低剪切应力。
2. 韧性提升机制：
- 裂纹偏转（图4c）：裂纹沿石墨烯界面迂曲扩展，吸收能量；
- 石墨烯桥接（图4d）：裂纹后方石墨烯片层承载应力；
- 有限元模拟（图4f）证实应力在石墨烯处重分布，实现裂纹尖端屏蔽。
3. 电磁屏蔽优势：
平行石墨烯阵列形成微电容器结构，提升介电常数（ZrO₂基体复介电常数达260–2.64i），远超传统碳纳米管/陶瓷复合材料（图5b）。
五、研究结论与价值
本研究开创了一种普适、低成本的二维石墨烯/陶瓷复合材料制备方法，其科学与应用价值包括：
1. 科学层面：
- 首次实现石墨烯在陶瓷中的有序阵列化嵌入，解决了分散与界面结合的难题；
- 揭示了石墨烯通过多重增韧机制（偏转、桥接、纳米褶皱）转变陶瓷断裂模式的理论。
2. 应用层面：
- 摩擦学性能突破：适用于真空/航天轴承、人工关节等极端环境；
- 电磁屏蔽性能：为5G通讯基站的耐高温屏蔽材料提供新选择。
六、研究亮点
1. 方法创新性：
- 以可膨胀石墨（1–2美元/千克）替代昂贵石墨烯，成本降低两个数量级；
- 通过蒸发诱导自组装实现石墨烯定向排列，工艺可规模化。
2. 性能突破：
- 摩擦系数（0.06）与韧性（提升500%）均创陶瓷复合材料纪录；
- 首次报道陶瓷基体的吸收主导型电磁屏蔽（SE >40 dB）。
3. 多功能拓展：
该策略可推广至MgO、ZnO等功能陶瓷，在催化、量子电容等领域具潜在应用（图S3）。
七、其他重要发现
- R曲线效应（图4b）：复合材料断裂阻力随裂纹扩展持续上升，表明其抗损伤累积能力；
- 晶粒细化：石墨烯阵列抑制ZrO₂晶粒生长（200 nm vs. 纯3YSZ的6 μm），避免相变引发的性能波动（图S8）。
此项研究为二维材料在块体陶瓷中的性能最大化提供了范式，被审稿人评价为“陶瓷复合材料领域的里程碑式进展”。