[发明专利]一种制备碳纳米管增强陶瓷的超快烧结方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管增强陶瓷的制备方法。

背景技术

碳纳米管(CNTs)自发现以来，由于其具有优越的力、热、电学性能，一直是纳米材料领域的研究热点。单壁碳纳米管的平均弹性模量为1.25TPa，多壁碳纳米管的平均弹性模量在270-950GPa之间，优良的力学性能使其在复合材料领域有巨大的发展潜力。近年来，碳纳米管被广泛用作高分子材料、陶瓷材料的增强相。国内外学者关于碳纳米管增强陶瓷的研究表明，碳纳米管可以提高陶瓷材料的力学性能，但其增韧效果一直未获得突破性进展。在该种材料的制备中有三个方面的问题需要解决：碳纳米管在基体中的均匀分散；碳纳米管与陶瓷基体之间良好的界面结合；避免碳纳米管在烧结过程中的破坏，这是实现碳纳米管增强效果的关键。

碳纳米管增强陶瓷材料要获得优异的性能，首先需要陶瓷体必须具备较高密实度，传统方法往往利用高温、长时烧结来实现这一目的。但在该种陶瓷的烧结中，高温、长时间烧结必然导致碳纳米管的严重破坏。在碳纳米管增强陶瓷材料的烧结工艺中，研究较多的是热压烧结和放电等离子体烧结。普通辐射加热条件，如热压烧结，其升温速率慢(10-50℃/min)，高温持续时间较长，有报道表明对碳纳米管的破坏较为严重，陶瓷断裂韧性基本无提高；SPS(spark plasma sintering)烧结由于升温速度较快(100-600℃/min)，烧结温度低，高温持续时间短，对碳管破坏较小，因此可以起到避免碳纳米管遭受破坏的作用，G-D Zhan等人利用该技术制备出断裂韧性提高2倍的复相陶瓷；但Wang，X等人利用同样的方法制备出的陶瓷，其性能相比纯的氧化铝陶瓷无较大提高；据D-T Jiang等人的最新报道，用SPS烧结，当烧结温度超过1150℃时，碳管也开始发生破坏。如何避免碳纳米管的破坏与陶瓷的烧结工艺密切相关。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备碳纳米管增强陶瓷的超快烧结方法，该方法能避免碳纳米管被破坏，制备的陶瓷断裂韧性高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种制备碳纳米管增强陶瓷的超快烧结方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)按碳纳米管(CNTs)粉体的质量为陶瓷粉体质量的0.5wt％-2wt％，选取碳纳米管粉体和陶瓷粉体；将碳纳米管粉体与陶瓷粉体分散于酒精中，超声分散2-3h，得浆料；其中酒精的质量为陶瓷粉体质量的3-10倍；

2)将所得浆料球磨24-30h，旋转蒸发去除酒精，得干燥的混合均匀的复合粉体；

3)将所得复合粉体压制成圆片状，得待烧结物料原坯；

4)选取升温速度为1600-2900℃/min、燃烧最高温度为1450℃-2620℃的固体燃烧反应物料；(具体升温速度和燃烧温度由具体燃烧反应物料来确定，燃烧反应物料是根据待烧结陶瓷样品的可发生烧结的温度来确定的，同种陶瓷可以由不同的燃烧反应物料来烧结；烧结时间由待烧结陶瓷的性质来确定，可以通过调节燃烧反应物料的量来实现；选用的标准是：一是可以进行包裹，二是燃烧反应物料的量可以提供陶瓷烧结所需的时间，一般30-120s是可以完成的；本发明中的1600-2900℃/min，1450℃-2620℃，30s-120s都是从实际举例中得出的)；用固体燃烧反应物料将待烧结物料原坯包裹起来，然后压制成柱状坯料备用(待烧结物料原坯处于柱状坯料的中心)；

5)将柱状坯料置于装满石英砂的钢模中，以钨丝点燃固体燃烧反应物料，引发燃烧反应，热量被迅速传递给待烧结物料原坯；待烧结物料原坯获得1600-2900℃/min的升温速度；

6)待固体燃烧反应物料达到最高燃烧温度时，对待烧结物料原坯施加压力100-500MPa，保压30s-120s；同时固体燃烧反应物料的燃烧产生的热量，使待烧结物料原坯的温度在其(即待烧结物料原坯)发生烧结温度以上持续30s-120s；

7)自然冷却后取出，得碳纳米管增强陶瓷。

所述的陶瓷粉体为氧化物陶瓷(以Al₂O₃为例)或非氧化物陶瓷(以TiB₂为例)。

所述的固体燃烧反应物料为Cr₂O₃、Al和C，Cr₂O₃∶Al∶C的物质的量之比为3∶6∶4；燃烧最高温度为1660℃，升温速度为2000℃/min。

所述的固体燃烧反应物料为Ti和C，Ti∶C的物质的量之比为1∶1，燃烧最高温度为2620℃，升温速度为2900℃/min。