Abstract
Graphene has remarkable mechanical properties, which makes it potentially a good reinforcement in ceramic composites. It also has unique electrical and thermal properties, which makes it an attractive filler for producing multifunctional ceramics for a wide range of applications. In the past few years, relatively little attention has been focused on graphene ceramic matrix composites (GCMC) in comparison to polymer composites. This review gives a comprehensive overview on the state of the art of GCMC, including materials synthesis, densification and characterisation. The published literature allows us to define the critical steps for processing GCMC, and identify its influence on the multifunctional and mechanical properties of the composites. Finally, the potential future applications and current research trends in GCMC are presented.
Get full access to this article
View all access options for this article.
References
1.
Bunsell
J. R. A. R.
: ‘Fundamentals of fibre reinforced composite materials ’, 398 ; 2005 , London , CRC Press .
2.
Cho
J.
,
Boccaccini
A. R.
and
Shaffer
M. S. P.
J. Mater. Sci. , 2009 , 44 , (8) , 1934 –1951 .
3.
Hwang
G. L.
and
Hwang
K. C.
J. Mater. Chem. , 2001 , 11 , (6) , 1722 –1725 .
4.
Zhan
G. D.
and
Mukherjee
A. K.
Int. J. Appl. Ceram. Techol. , 2004 , 1 , (2) , 161 –171 .
5.
Cho
J.
,
Inam
F.
,
Reece
M. J.
,
Chlup
Z.
,
Dlouhy
I.
,
Shaffer
M. S. P.
and
Boccaccini
A. R.
J. Mater. Sci. , 2011 , 46 , (14) , 4770 –4779 .
6.
Ning
J. W.
,
Zhang
J. J.
,
Pan
Y. B.
and
Guo
J. K.
Mater. Sci. Eng. A: Struct. , 2003 , 357 , (1–2) , 392 –396 .
7.
Sivakumar
R.
,
Guo
S. Q.
,
Nishimura
T.
and
Kagawa
Y.
Scr. Mater. , 2007 , 56 , (4) , 265 –268 .
8.
Guo
S. Q.
,
Sivakumar
R.
,
Kitazawa
H.
and
Kagawa
Y.
J. Am. Ceram. Soc. , 2007 , 90 , (5) , 1667 –1670 .
9.
Inam
F.
,
Yan
H. X.
,
Jayaseelan
D. D.
,
Peijs
T.
and
Reece
M. J.
J. Eur. Ceram. Soc. , 2010 , 30 , (2) , 153 –157 .
10.
Fan
J. P.
,
Zhuang
D. M.
,
Zhao
D. Q.
,
Zhang
G.
,
Wu
M. S.
,
Wei
F.
and
Fan
Z. J.
Appl. Phys. Lett. , 2006 , 89 , (12) .
11.
Zhan
G. D.
,
Kuntz
J. D.
,
Garay
J. E.
and
Mukherjee
A. K.
Appl. Phys. Lett. , 2003 , 83 , (6) , 1228 –1230 .
12.
Geim
A. K.
and
Novoselov
K. S.
Nat. Mater. , 2007 , 6 , (3) , 183 –191 .
13.
Lee
C.
,
Wei
X. D.
,
Kysar
J. W.
and
Hone
J.
Science , 2008 , 321 , (5887) , 385 –388 .
14.
Balandin
A. A.
,
Ghosh
S.
,
Bao
W. Z.
,
Calizo
I.
,
Teweldebrhan
D.
,
Miao
F.
and
Lau
C. N.
Nano Lett. , 2008 , 8 , (3) , 902 –907 .
15.
Fan
Y. C.
,
Wang
L. J.
,
Li
J. L.
,
Li
J. Q.
,
Sun
S. K.
,
Chen
F.
,
Chen
L. D.
and
Jiang
W.
Carbon , 2010 , 48 , (6) , 1743 –1749 .
16.
He
T.
,
Li
J. L.
,
Wang
L. J.
,
Zhu
J. J.
and
Jiang
W.
Mater. Trans. , 2009 , 50 , (4) , 749 –751 .
17.
Lam
C. W.
,
James
J. T.
,
McCluskey
R.
,
Arepalli
S.
and
Hunter
R. L.
Crit. Rev. Toxicol. , 2006 , 36 , (3) , 189 –217 .
18.
Choi
W.
,
Lahiri
I.
,
Seelaboyina
R.
and
Kang
Y. S.
Crit. Rev. Solid. State , 2010 , 35 , (1) , 52 –71 .
19.
Stoller
M. D.
,
Park
S. J.
,
Zhu
Y. W.
,
An
J. H.
and
Ruoff
R. S.
Nano Lett. , 2008 , 8 , (10) , 3498 –3502 .
20.
Blake
P.
,
Brimicombe
P. D.
,
Nair
R. R.
,
Booth
T. J.
,
Jiang
D.
,
Schedin
F.
,
Ponomarenko
L. A.
,
Morozov
S. V.
,
Gleeson
H. F.
,
Hill
E. W.
,
Geim
A. K.
and
Novoselov
K. S.
Nano Lett. , 2008 , 8 , (6) , 1704 –1708 .
21.
Wu
J. B.
,
Agrawal
M.
,
Becerril
H. A.
,
Bao
Z. N.
,
Liu
Z. F.
,
Chen
Y. S.
and
Peumans
P.
Acs Nano , 2010 , 4 , (1) , 43 –48 .
22.
Wang
X.
,
Zhi
L. J.
and
Mullen
K.
Nano Lett. , 2008 , 8 , (1) , 323 –327 .
23.
Stankovich
S.
,
Dikin
D. A.
,
Dommett
G. H. B.
,
Kohlhaas
K. M.
,
Zimney
E. J.
,
Stach
E. A.
,
Piner
R. D.
,
Nguyen
S. T.
and
Ruoff
R. S.
Nature , 2006 , 442 , (7100) , 282 –286 .
24.
Liang
J. J.
,
Wang
Y.
,
Huang
Y.
,
Ma
Y. F.
,
Liu
Z. F.
,
Cai
F. M.
,
Zhang
C. D.
,
Gao
H. J.
and
Chen
Y. S.
Carbon , 2009 , 47 , (3) , 922 –925 .
25.
Kalaitzidou
K.
,
Fukushima
H.
and
Drzal
L. T.
Compos. A: Appl. S , 2007 , 38 , (7) , 1675 –1682 .
26.
Yasmin
A.
,
Luo
J. J.
and
Daniel
I. M.
Compos. Sci. Technol. , 2006 , 66 , (9) , 1182 –1189 .
27.
Walker
L. S.
,
Marotto
V. R.
,
Rafiee
M. A.
,
Koratkar
N.
and
Corral
E. L.
Acs Nano , 2011 , 5 , (4) , 3182 –3190 .
28.
Du
J. H.
and
Cheng
H. M.
Macromol. Chem. Phys. , 2012 , 213 , (10–11) , 1060 –1077 .
29.
Watcharotone
S.
,
Dikin
D. A.
,
Stankovich
S.
,
Piner
R.
,
Jung
I.
,
Dommett
G. H. B.
,
Evmenenko
G.
,
Wu
S. E.
,
Chen
S. F.
,
Liu
C. P.
,
Nguyen
S. T.
and
Ruoff
R. S.
Nano Lett. , 2007 , 7 , (7) , 1888 –1892 .
30.
Tapaszto
O.
,
Tapaszto
L.
,
Marko
M.
,
Kern
F.
,
Gadow
R.
and
Balazsi
C.
Chem. Phys. Lett. , 2011 , 511 , (4–6) , 340 –343 .
31.
Kun
P.
,
Tapaszto
O.
,
Weber
F.
and
Balazsi
C.
Ceram. Int. , 2012 , 38 , (1) , 211 –216 .
32.
Zhou
T. N.
,
Chen
F.
,
Liu
K.
,
Deng
H.
,
Zhang
Q.
,
Feng
J. W.
and
Fu
Q. A.
Nanotechnology , 2011 , 22 , (4) .
33.
Zhu
Y. W.
,
Murali
S.
,
Cai
W. W.
,
Li
X. S.
,
Suk
J. W.
,
Potts
J. R.
and
Ruoff
R. S.
Adv. Mater. , 2010 , 22 , (35) , 3906 –3924 .
34.
Park
S.
and
Ruoff
R. S.
Nat. Nanotechnol. , 2009 , 4 , (4) , 217 –224 .
35.
Stankovich
S.
,
Dikin
D. A.
,
Piner
R. D.
,
Kohlhaas
K. A.
,
Kleinhammes
A.
,
Jia
Y.
,
Wu
Y.
,
Nguyen
S. T.
and
Ruoff
R. S.
Carbon , 2007 , 45 , (7) , 1558 –1565 .
36.
Singh
V.
,
Joung
D.
,
Zhai
L.
,
Das
S.
,
Khondaker
S. I.
and
Seal
S.
Prog. Mater. Sci. , 2011 , 56 , (8) , 1178 –1271 .
37.
Ferrari
A. C.
: Solid State Commun. , 2007 , 143 , (1–2) , 47 –57 .
38.
Wang
K.
,
Wang
Y. F.
,
Fan
Z. J.
,
Yan
J.
and
Wei
T.
Mater. Res. Bull. , 2011 , 46 , (2) , 315 –318 .
39.
Echeberria
J.
,
Rodriguez
N.
,
Vleugels
J.
,
Vanmeensel
K.
,
Reyes-Rojas
A.
,
Garcia-Reyes
A.
,
Dominguez-Rios
C.
,
Aguilar-Elguezabal
A.
and
Bocanegra-Bernal
M. H.
Carbon , 2012 , 50 , (2) , 706 –717 .
40.
Estili
M.
and
Kawasaki
A.
Adv. Mater. , 2010 , 22 , (5) , 607 .
41.
Inam
F.
,
Yan
H.
,
Reece
M. J.
and
Peijs
T.
Nanotechnology , 2008 , 19 , (19) .
42.
Yang
Y.
,
Wang
Y.
,
Tian
W.
,
Wang
Z. Q.
,
Zhao
Y.
,
Wang
L.
and
Bian
H. M.
Mat. Sci. Eng. A: Struct , 2009 , 508 , (1–2) , 161 –166 .
43.
Dusza
J.
,
Blugan
G.
,
Morgiel
J.
,
Kuebler
J.
,
Inam
F.
,
Peijs
T.
,
Reece
M. J.
and
Puchy
V.
J. Eur. Ceram. Soc. , 2009 , 29 , (15) , 3177 –3184 .
44.
Balazsi
C.
,
Shen
Z.
,
Konya
Z.
,
Kasztovszky
Z.
,
Weber
F.
,
Vertesy
Z.
,
Biro
L. P.
,
Kiricsi
I.
and
Arato
P.
Compos. Sci. Technol. , 2005 , 65 , (5) , 727 –733 .
45.
Boccaccini
A. R.
,
Thomas
B. J. C.
,
Brusatin
G.
and
Colombo
P.
J. Mater. Sci. , 2007 , 42 , (6) , 2030 –2036 .
46.
Lewis
J. A.
: J. Am. Ceram. Soc. , 2000 , 83 , (10) , 2341 –2359 .
47.
Zheng
C.
,
Feng
M.
,
Zhen
X.
,
Huang
J.
and
Zhan
H. B.
J. Non-Cryst. Solids , 2008 , 354 , (12–13) , 1327 –1330 .
48.
Zhan
H. B.
,
Chen
W. Z.
,
Wang
M. Q.
,
Zhengchan
and
Zou
C. L.
Chem. Phys. Lett. , 2003 , 382 , (3–4) , 313 –317 .
49.
Zeng
Y.
,
Zhou
Y.
,
Kong
L.
,
Zhou
T.
and
Shi
G.
Biosens. Bioelectr. , 2013 , 45 , 25 –33 .
50.
Cheng
W. Y.
,
Wang
C. C.
and
Lu
S. Y.
Carbon , 2013 , 54 , 291 –299 .
51.
Yang
J. L.
,
Wang
J. J.
,
Wang
D. N.
,
Li
X. F.
,
Geng
D. S.
,
Liang
G. X.
,
Gauthier
M.
,
Li
R. Y.
and
Sun
X. L.
J. Power Sour. , 2012 , 208 , 340 –344 .
52.
Cunci
L.
,
Rao
C. V.
,
Velez
C.
,
Ishikawa
Y.
and
Cabrera
C. R.
Electrocatalysis-Us , 2013 , 4 , (1) , 61 –69 .
53.
Ghosh
T.
,
Lee
J. H.
,
Meng
Z. D.
,
Ullah
K.
,
Park
C. Y.
,
Nikam
V.
and
Oh
W. C.
Mater. Res. Bull. , 2013 , 48 , (3) , 1268 –1274 .
54.
Colombo
P.
,
Mera
G.
,
Riedel
R.
and
Soraru
G. D.
J. Am. Ceram. Soc. , 2010 , 93 , (7) , 1805 –1837 .
55.
Sarkar
S.
,
Zou
J.
,
Liu
J.
,
Xu
C.
,
An
L.
and
Zhai
L.
2010 , 2 , (4) , 1150 –1156 .
56.
Duan
R. G.
and
Mukherjee
A. K.
Adv. Mater. , 2004 , 16 , (13) , 1106 .
57.
An
L. N.
,
Xu
W. X.
,
Rajagopalan
S.
,
Wang
C. M.
,
Wang
H.
,
Fan
Y.
,
Zhang
L. G.
,
Jiang
D. P.
,
Kapat
J.
,
Chow
L.
,
Guo
B. H.
,
Liang
J.
and
Vaidyanathan
R.
Adv. Mater. , 2004 , 16 , (22) , 2036 .
58.
Lehman
J. H.
,
Hurst
K. E.
,
Singh
G.
,
Mansfield
E.
,
Perkins
J. D.
and
Cromer
C. L.
J. Mater. Sci. , 2010 , 45 , (15) , 4251 –4254 .
59.
Bhandavat
R.
and
Singh
G.
Acs. Appl. Mater. Int. , 2012 , 4 , (10) , 5092 –5097 .
60.
Ji
F.
,
Li
Y. L.
,
Feng
J. M.
,
Su
D.
,
Wen
Y. Y.
,
Feng
Y.
and
Hou
F.
J. Mater. Chem. , 2009 , 19 , (47) , 9063 –9067 .
61.
Inam
F.
,
Yan
H.
,
Reece
M. J.
and
Peijs
T.
Adv. Appl. Ceram. , 2010 , 109 , (4) , 240 –245 .
62.
Peigney
A.
,
Flahaut
E.
,
Laurent
C.
,
Chastel
F.
and
Rousset
A.
Chem. Phys. Lett. , 2002 , 352 , (1–2) , 20 –25 .
63.
Boccaccini
A. R.
,
Acevedo
D. R.
,
Brusatin
G.
and
Colombo
P.
J. Eur. Ceram. Soc. , 2005 , 25 , (9) , 1515 –1523 .
64.
Flahaut
E.
,
Peigney
A.
,
Laurent
C.
,
Marliere
C.
,
Chastel
F.
and
Rousset
A.
Acta Mater. , 2000 , 48 , (14) , 3803 –3812 .
65.
Sun
J.
and
Gao
L.
Carbon , 2003 , 41 , (5) , 1063 –1068 .
66.
Rul
S.
,
Lefevre-schlick
F.
,
Capria
E.
,
Laurent
C.
and
Peigney
A.
Acta Mater. , 2004 , 52 , (4) , 1061 –1067 .
67.
Grasso
S.
,
Sakka
Y.
and
Maizza
G.
Sci. Technol. Adv. Mater. , 2009 , 10 , (5) .
68.
Grasso
S.
,
Yoshida
H.
,
Porwal
H.
,
Sakka
Y.
and
Reece
M.
Ceram Int. , 2013 , 39 , 3243 –3248 .
69.
Milsom
B.
,
Viola
G.
,
Gao
Z. P.
,
Inam
F.
,
Peijs
T.
and
Reece
M. J.
J. Eur. Ceram. Soc. , 2012 , 32 , (16) , 4149 –4156 .
70.
Inam
F.
,
Yan
H. X.
,
Peijs
T.
and
Reece
M. J.
Compos. Sci. Technol. , 2010 , 70 , (6) , 947 –952 .
71.
Lawn
B.
: ‘Indentation fracture ’, in ‘Fracture of brittile solids-second edition’ , 249 –304 ; 1993 , Cambridge , Press Syndicate of the University of Cambridge .
72.
Wang
X. T.
,
Padture
N. P.
and
Tanaka
H.
Nat Mater , 2004 , 3 , (8) , 539 –544 .
73.
Quinn
G. D.
and
Bradt
R. C.
J. Am. Ceram. Soc. , 2007 , 90 , (3) , 673 –680 .
74.
Sheldon
B. W.
and
Curtin
W. A.
Nat. Mater. , 2004 , 3 , (8) , 505 –506 .
75.
Anstis
G. R.
,
Chantikul
P.
,
Lawn
B. R.
and
Marshall
D. B.
J. Am. Ceram. Soc. , 1981 , 64 , (9) , 533 –538 .
76.
Tapaszto
O.
,
Kun
P.
,
Weber
F.
,
Gergely
G.
,
Balazsi
K.
,
Pfeifer
J.
,
Arato
P.
,
Kidari
A.
,
Hampshire
S.
and
Balazsi
C.
Ceram Int. , 2011 , 37 , (8) , 3457 –3461 .
77.
Kvetkova
L.
,
Duszova
A.
,
Hvizdos
P.
,
Dusza
J.
,
Kun
P.
and
Balazsi
C.
Scr. Mater. , 2012 , 66 , (10) , 793 –796 .
78.
Liu
J.
,
Yan
H. X.
,
Reece
M. J.
and
Jiang
K.
J. Eur. Ceram Soc. , 2012 , 32 , (16) , 4185 –4193 .
79.
Inam
F.
,
Peijs
T.
and
Reece
M. J.
J. Eur. Ceram Soc. , 2011 , 31 , (15) , 2853 –2859 .
80.
Fan
Y. C.
,
Jiang
W.
and
Kawasaki
A.
Adv. Funct. Mater. , 2012 , 22 , (18) , 3882 –3889 .
81.
Ramirez
C.
,
Garzon
L.
,
Miranzo
P.
,
Osendi
M. I.
and
Ocal
C.
Carbon , 2011 , 49 , (12) , 3873 –3880 .
82.
Ramirez
C.
,
Figueiredo
F. M.
,
Miranzo
P.
,
Poza
P.
and
Osendi
M. I.
Carbon , 2012 , 50 , (10) , 3607 –3615 .
83.
Miranzo
P.
,
Garcia
E.
,
Ramirez
C.
,
Gonzalez-Julian
J.
,
Belmonte
M.
and
Osendi
M. I.
J. Eur. Ceram Soc. , 2012 , 32 , (8) , 1847 –1854 .
84.
Guo
Z. X.
,
Zhang
D.
and
Gong
X. G.
Appl. Phys. Lett. , 2009 , 95 , (16) .
85.
Liu
J.
,
Yan
H.
and
Jiang
K.
Ceram Int. , 2013 , to be published .