将二维（2D）石墨烯分散在3D材料基体中，成为宏观应用中批量获取单个石墨烯优异的力学和电学性能的一条很有前途的途径。然而，这种途径受到3D结构中石墨烯片层不受控制的分布和取向以及石墨烯与基体键合较弱和负载转移较差的严重限制。

近日，清华大学万春磊副教授报道了一种新的策略，通过将陶瓷前驱体化学插层到低成本的可膨胀石墨中，将二维石墨烯平行阵列工程到陶瓷基体中。

文章要点

1）复合材料加工策略。研究人员首先通过微波加热将可膨胀石墨转化为膨胀石墨(EG)，在此过程中，石墨烯层间的层间距沿垂直于石墨基面的方向膨胀数十倍到数百倍。在有机偶联剂（硅烷，KH570）的辅助下，在真空下将液态陶瓷前驱体插层到层间空间。所得产品经超声波处理后进一步均质，形成胶体分散体。通过这些步骤，陶瓷前驱体和石墨烯层混合均匀。然后，陶瓷前驱体被水解成氢氧化物，形成具有石墨烯层的板状复合粉末。在随后的蒸发过程中，溶剂的蒸发可能会通过悬浮液表面附近的表面张力导致氢氧化物/石墨烯的片状排列。最后将陶瓷氢氧化物/石墨烯薄片沉积到容器的平底表面，这也起到了模板的作用，并导致氢氧化物/石墨烯薄片的进一步有序排列。

2）有序的二维石墨烯阵列将脆性陶瓷的灾难性断裂模式转变为稳定的扩展行为，机械韧性提高250-500%，同时机械强度提高30%到50%。由于力学性能的显著提高，陶瓷之间的摩擦系数达到了前所未有的0.06。

3）这些复合材料的机械可靠性和自润滑性能相结合，在真空、高负荷、高磨损或有腐蚀剂等恶劣环境下的摩擦学应用中显示出巨大的潜力。此外，具有独特结构的二维石墨烯阵列/陶瓷复合材料不仅表现出创纪录的低电磁干扰性能，而且具有广阔的潜在多功能，如催化性能、场发射性能和量子电容等。

该研究工作通过将二维石墨烯阵列嵌入绝缘的、坚硬的、化学惰性的陶瓷基体中，展示了一种新型策略来大量获得单个石墨烯层的先进性能，这在恶劣环境中的应用具有重大意义。

Chuan Sun, et al, Embedding two-dimensional graphene array in  ceramic matrix, Sci. Adv. 2020

DOI: 10.1126/sciadv.abb1338

http://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb1338