打開一切科學(xué)的鑰匙都毫無異議地是問號，我們大部分的偉大發(fā)現(xiàn)都應(yīng)當(dāng)歸功于如何？而生活的智慧大概就在于逢事都問個(gè)為什么？
——巴爾扎克
石墨烯和超高溫陶瓷材料
一、簡介
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展及武器裝備的升級換代，國防工業(yè)對極端環(huán)境服役材料的需求日益迫切，耐高溫、抗燒蝕材料的開發(fā)與應(yīng)用亦備受科研人員關(guān)注。超高溫陶瓷材料耐溫性能優(yōu)異，但本征脆性和較差的抗熱沖擊性能一直都是限制其進(jìn)一步工程應(yīng)用的主要障礙。
石墨烯作為一種碳原子排列成蜂窩結(jié)構(gòu)的二維納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，常被作為添加相來改性陶瓷基體，使其成為陶瓷復(fù)合材料中理想的增韌材料，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的功能化和結(jié)構(gòu)化。但受到分散均勻性、體積分?jǐn)?shù)、界面調(diào)控等因素的影響，石墨烯優(yōu)異的性能在陶瓷基復(fù)合材料中還無法發(fā)揮。
超高溫陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics，簡稱UHTCs），因其較難熔金屬密度更小、承受溫度更高，較炭/炭(C/C)或炭/碳化硅(C/SiC)復(fù)合材料抗氧化燒蝕性能更優(yōu)異，而受到了國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注。然而，超高溫陶瓷材料的本征脆性和較差的抗熱沖擊性能一直都是限制其進(jìn)一步工程應(yīng)用的主要障礙，這些問題限制了其在航天器大氣層再入、火箭推進(jìn)系統(tǒng)、超音速飛行等高溫及大溫度梯度的極端環(huán)境中應(yīng)用。
石墨烯(Graphene)是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，是呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法(CVD)。
單層石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，是有史以來被報(bào)道的強(qiáng)度最高的材料，其理論彈性模量為1 TPa，同時(shí) 具有非常高的導(dǎo)熱性[5 000W/(m?K)以上]、大表面積(2.630 m2/g)、室溫高電子遷移率[1.5×104 cm2/(V?s)]和 130 GPa的固有高拉伸強(qiáng)度。石墨烯/超高溫陶瓷基復(fù)合材料可按陶瓷系列類型來分類，包括但不限于碳化物、硼化物、氮化物體系，具體研究工作從制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)到仿生構(gòu)筑、宏觀性能亦均有深入。
二、制備工藝
選擇合適的制備工藝是獲得理想復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)鍵。目前，石墨烯/超高溫陶瓷基復(fù)合材料主要是通過粉末燒結(jié)致密化工藝制得，即先制備出石墨烯/超高溫陶瓷復(fù)合粉體，再進(jìn)行燒結(jié)致密化得到具有一定致密度的塊體復(fù)合材料。此法工藝簡單、材料性能好、參數(shù)易調(diào)控，目前大部分的石墨烯/超高溫陶瓷復(fù)合材料均采用這類工藝進(jìn)行制備。
致密化燒結(jié)是獲得陶瓷復(fù)合材料至關(guān)重要的工藝環(huán)節(jié)，其對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能影響均 較大，主要燒結(jié)工藝包括無壓燒結(jié)(PS)、反應(yīng)熱壓燒結(jié)(RHP)、熱壓燒結(jié)(HP)、放電等離子燒結(jié)(SPS)等，不同燒結(jié)工藝的加熱時(shí)間長短各異，燒結(jié)反應(yīng)和結(jié)構(gòu)性能也隨燒結(jié)工藝不同有所區(qū)別。
三、性能研究
石墨烯的增韌效果與增韌機(jī)制：石墨烯納米片因能夠通過多種機(jī)制提高超高溫陶瓷材料 的力學(xué)性能而引起了人們的極大興趣，國內(nèi)外學(xué)者早期的研究多圍繞石墨烯對超高溫陶瓷基體的增韌作用而開展。大量研究表明，石墨烯的引入增加了壓坯的均勻性和致密性，同時(shí)GNPs的包裹機(jī)制會明顯抑制了晶粒生長；這種內(nèi)在機(jī)制及石墨烯納米片與晶粒間的相互作用共同導(dǎo)致了裂紋抑制機(jī)制，微觀形貌中出現(xiàn)了裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋接的現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了對超高溫陶瓷基體的增 韌作用。若GNPs的添加量過高，體系中石墨烯納米片的不均勻分布將引起團(tuán)聚行為，復(fù)合材料的密度和硬度則會隨之下降。
熱學(xué)性能：石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)及熱學(xué)等性能，室溫電子遷移率約1.5×104cm 2/(V?s)、導(dǎo)熱率高達(dá)5.3×103 W/(m?K)；在超高溫陶瓷材料中，石墨烯的引入會增加基體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，使材料局部過熱區(qū)域加速散熱，從而延長了材料的使用壽命。
抗熱震性能：熱沖擊性能差的突出問題限制了超高溫陶瓷航天部件在大氣層高速再入的高溫及大溫度梯度等極 端環(huán)境下的廣泛應(yīng)用。高溫極端復(fù)雜環(huán)境下，晶須和纖維等傳統(tǒng)增韌相的損傷和失效限制了陶瓷基體 的高溫力學(xué)性能。而石墨烯優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能可以提高陶瓷基復(fù)合材料的韌性和熱力學(xué)性質(zhì)。
抗氧化性能：增強(qiáng)超高溫陶瓷基體的力學(xué)性能是使其成為工程化應(yīng)用的關(guān)鍵，同時(shí)，超高溫陶瓷的抗氧化性能亦至關(guān)重要。
四、存在的問題與展望
石墨烯在超高溫陶瓷基體中的均勻分散，經(jīng)研究證明均可達(dá)到明顯的增強(qiáng)增韌的效果，也在一定 程度上提高了復(fù)合材料的抗氧化、抗熱震等性能。但石墨烯在陶瓷材料中的應(yīng)用總體而言仍處于起步階段，尚存在諸多問題需要國內(nèi)外學(xué)者展開深入研究：
（1）首先是石墨烯的均勻分散問題，因兩相間的強(qiáng)化學(xué)插入和弱范德華力相互作用，很難實(shí)現(xiàn)石墨烯在陶瓷基體中的均勻分散。
（2）超高溫陶瓷材料在制備與加工成型過程中很容易引入缺陷,這些缺陷會對復(fù)合材料各項(xiàng)宏觀性能產(chǎn)生巨大影響。
（3）燒結(jié)過程中，石墨烯自身的變化、其對陶瓷基體晶粒控制作用等機(jī)制研究較少，機(jī)制尚不完全清楚，且工藝多采用等離子燒結(jié)方式，未來還需要摸索低溫致密化燒結(jié)等 其他燒結(jié)工藝，并深入研究微觀形貌的調(diào)控方法。
（4）石墨烯提高基體抗氧化性能，抗熱震性能的研究均尚少尚淺，多種機(jī)制協(xié)同作用尚不明確，仍有大量未知的機(jī)理需要探索，許多實(shí)際應(yīng)用的問題需要克服。
（5）極端環(huán)境性能驗(yàn)證考核不足問題。
近年來，石墨烯/超高溫陶瓷復(fù)合材料激發(fā)了材料科學(xué)界的興趣，石墨烯優(yōu)異的綜合性能在擴(kuò)展陶瓷材料的應(yīng)用方面具有巨大的潛力。石墨烯的包裹 晶粒、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋接等現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了對超高溫陶瓷基體的增韌作用，通過物理化學(xué)耦合效應(yīng)抑制 了基體的氧化過程，又通過影響陶瓷基體的力學(xué)、熱學(xué)進(jìn)一步改善了其抗熱震性能。當(dāng)然，目前相關(guān)研究還相對薄弱，仍有很多問題需要解決和進(jìn)一步挖掘，也因此使該領(lǐng)域的科研工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。相信隨著研究工作的深入，石墨烯超高溫瓷的應(yīng)用方向會更加廣泛，可靠性也會得到進(jìn)一步的提高。