Graphene Nanosheets along Grain Boundaries in a Zirconia-Toughened Alumina Ceramic Significantly Improve Fracture Strength

材料科学 抗弯强度 复合材料 陶瓷 断裂韧性 韧性 晶界 纳米片 石墨烯 微观结构 纳米技术
作者
Liangguang Liu,Hui Yu,Junzhuo Wang,Lianjun Wang,Wan Jiang,Jianlin Li,Yixuan Wang
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (16): 19397-19406 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c03302
摘要

Bioinspired interfacial structures in materials, such as nacre-inspired masonry structures and bionic mechanical interlocking structures, can produce unique effects that enable unprecedented material mechanical properties. However, the smooth interface in ceramic materials is known to elicit weakening effects on mechanical properties, easily causing catastrophic damage in industrial production. Here, inspired by the suture structure of fish, zirconia-toughed alumina (ZTA) is fabricated with a bioinspired suture structure interface by introducing a graphene nanosheet (GNS) through tailoring the interfacial atomic diffusive rate on a ZTA composite, and its effect on fracture strength is measured. The results show that the flexural strength of ZTA modified by 0.14% GNS is 865.4 MPa, which is 60.2% higher than that of ZTA without GNS modification. Subsequently, the local grain boundary slip resistance on the suture interface is calculated using finite element simulation, which reveals that the suture interface of the Al2O3 matrix had higher resistance values than the smooth interface under applied load, which could improve the hardness, flexural strength, and fracture toughness. This unique suture interface intensifies the interface strength and essentially improves the force transmission. This work provides guidance for bionic optimization of the grain boundary structure of structural ceramics and a new idea for the structural design of high-strength and -toughness ceramics.
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