航空航天、汽车和运动器材等应用中的材料要求轻便且坚硬，从而在保证其结构完整性的同时最大化燃油效率。为了获得如此大的硬度以及更轻的质量，材料往往需要进行晶格设计，避免软弯曲和变形。材料晶格的机械性能决定了材料的相对硬度和相对强度随幂律关系中的固体分数的变化而变化，其指数取决于设计拓扑，而且这些特性的绝对值与晶格材料的固有模量和强度成正比。因此，改善机械性能的方法之一就是添加增强颗粒来增加材料的刚度和硬度，这些颗粒的例子包括铁、铜、钨、铝、氧化铝、钛酸钡、钙、金刚石、碳纤维。石墨烯是六边形排列的碳原子的二维薄片，由于其极高的杨氏模量、断裂强度和低质量密度，它也非常适合设计晶格结构。
由于晶格设计的复杂性，3D打印技术，例如熔融沉积建模（FDM）、选择性激光烧结、喷墨打印、立体光刻，是制造这些结构的优秀方法，但是添加到晶格中的增强颗粒必须与3D打印技术兼容。最近的研究成功使用熔融沉积建模技术以石墨烯为填料对聚合物进行3D打印，还有使用立体光刻技术来添加氧化石墨烯增强的聚合物复合材料，使用低至0.2％的添加剂，对材料的强度和机械性能就有巨大的改善。3D打印的出现使得能够以相对较短的生产时间和较低的材料浪费率对复杂结构进行快速原型制作。
陶瓷由通过离子键或共价键连接的金属和非金属原子组成，从而具有独特的特性，例如高硬度、大脆性、低电导率和导热率。通过材料和结构设计，现今基于陶瓷部件的突出性质已被用于许多多功能应用，包括热保护皮肤、智能传感器、电磁波吸收和防腐涂层。
陶瓷/石墨烯超材料具有微结构衍生的超弹性和结构坚固性，这是通过设计分层蜂窝微结构实现的，蜂窝结构由两种脆性成分复合而成，并组装在多层纳米多孔壁中。由于所设计的微观结构、良好互连的支架、化学键合的界面以及石墨烯骨架与Al2O3纳米层之间的耦合强化作用，陶瓷/石墨烯超材料同时显示出一系列的多功能性能，这些性能尚未针对陶瓷和陶瓷-基质-复合结构进行报道，例如飞重密度、80％可逆压缩性、高耐疲劳性、高电导率和出色的耐热性，同时具有隔热/阻燃性能。三维排列良好的石墨烯气凝胶模板通过化学键合界面与耦合强化作用陶瓷牢固结合，表现出相互加强、相容的可变形性以及密度与杨氏模量之间的线性相关关系。这些基于陶瓷的超材料揭示了陶瓷纳米层对机械性能的相当大的尺寸现象。通过仔细设计纳米层的厚度，沉积10 nm厚的Al2O3得到了最佳的加固效果，材料强度提高了3倍，超弹性压缩率高达80％。(www.xing528.com)
GCM的优越性能证实这是通过在蜂窝状石墨烯骨架上对陶瓷纳米层进行第四维处理，而实现可扩展制造多功能陶瓷复合材料的新方法，这表明材料在柔性器件、减震器、热敏材料、隔热阻燃、微波吸收涂层等应用中的巨大潜力。
（审核：李冲）
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