珍珠巖也被稱為“自然的盔甲”，由磚石結構組成，其中文石與柔軟的生物聚合物層（砂漿）以類似三文治的結構夾在一起?，F在，美國弗吉尼亞大學的一個團隊由石墨烯和鋁制成了與珍珠巖具有相同類型結構的復合材料，并且具有更高的強度和韌性。與自身相比，新型生物復合材料的硬度提高了210%，強度提高了223%，剛度提高了78%。它可能會應用于汽車，飛機和火車等對重量有一定要求的方面，也可能用于需要強勁，堅硬和堅韌的組件來傳導熱量的下一代電子設備。
石墨烯/ Al2O3/Al復合材料的微觀結構
制備既硬又韌的材料仍是現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，它便會變得更脆。但大自然已經克服了這個問題——珍珠質同時具有很高的強度和韌性，這要歸功于嵌入有機生物聚合物基質中的層狀硬霰石片晶組成的分層結構。霰石是負載軸承，它使珍珠巖具有更高的強度，而生物聚合物既能分散載荷又能在其變形時消散能量。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，防止單個片晶移動。
盡管這個架構看起來很簡單，但使用傳統的工程流程來生產是非常困難的。到目前為止，大多數方法依賴于陶瓷/聚合物配置-例如，Al2O3/PMMA層狀復合材料，其結構上類似珍珠質或珍珠質樣CaCO3/PAA復合材料，并且已經使用中尺度組合和礦化技術制成。雖然這些復合材料比單獨的組分更堅固，但由于它們含有聚合物，所以它們的強度不是很高。
模仿珍珠層的硬/軟/硬結構
現在，研究人員李曉東、張云亞已經利用氧化石墨烯中的含氧基團來構建模擬珍珠層硬/軟/硬結構，如Al/石墨烯/Al2O3復合材料。由于其超高的硬度和出色的化學穩定性，Al2O3納米粒子是增強聚合物和金屬材料的理想選擇。
制造金屬復合材料往往需要嚴格的塑性變形和高溫退火。這些過程不可避免地會損壞所添加石墨烯的結構，進而使得機械強度不能如預期增加。這便是以前的石墨烯/金屬復合材料具有比理論預期更低的強度和剛度的主要原因。
Al2O3作為輔助增強劑
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為輔助增強劑來補償石墨烯的降解，從而使復合材料更強。
研究人員通過納米壓痕和拉伸試驗發現，Al層和Al2O3/石墨烯/ Al2O3層之間的模量差異超過30%，而嚴重變形的Al基體的延展性僅為10%。并且Al2O3的粗糙度從Al基體增長，這導致這些層之間的親密結合和幾何互鎖，從而有助于避免大規模的分層。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，這是一個與珍珠層非常相似的結構。
擴展到其他金屬
他補充說到，這一新型復合材料可能用于重量和強度都要求很高的應用中。例如高速車，重量減輕可以大大降低能耗。另一個領域是下一代電子產品，它們需要堅固、堅硬、堅韌同時具有良好導熱性（由于其石墨烯的存在，這一新型材料也具備）的原材料。
研究人員報道了他們在納米快報DOI：10.1021/acs.nanolett.7b03308中的工作，現在他們希望能優化這一Al/石墨烯/ Al2O3復合材料，并研究如何擴大生產。其次，他們希望將在Al中所看到的增強機制延伸到其他金屬，如Ni，Cu，Ti和Mg。最后，他們將嘗試找出這些復合材料是否可以在能量收集和能量儲存等領域有其他可能的應用。
來源：材料科技在線
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