[发明专利]一种石墨烯纳米片增强的氧化铝陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机非金属材料制备方法，尤其是一种石墨烯纳米片增强的氧化铝陶瓷的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，具有非常优异的力学性能，其杨氏模量约为1TPa,与单壁碳纳米管相当，强度约为130180GPa。石墨烯纳米片是由单层碳原子平面结构石墨烯堆垛而成,厚度为纳米尺度的两维石墨纳米材料。因此，石墨烯纳米片在陶瓷增韧方面具有极高的潜力。

目前，陶瓷材料的增韧方法包括：相变增韧、晶须及颗粒增韧、纤维增韧、纳米线及纳米管增韧等。但是相变、晶须及颗粒韧化效果不是特别明显；纤维韧化的操作工程较为复杂，同时产品的致密度较差。

目前应用较多的是碳纳米管增韧，同时氮化硼纳米管的增韧也开始被关注。这两种纳米管均属于一维纳米结构，在阻碍裂纹扩展方面的作用不是太显著。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种石墨烯纳米片增强的氧化铝陶瓷的制备方法，该方法安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高，产品性能好。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种石墨烯纳米片增强的氧化铝陶瓷的制备方法，其以石墨烯纳米片作增强相、以氧化铝作基体，具体步骤如下：

（1）用天平分别称取石墨烯纳米片、氧化铝粉体，其中，石墨烯纳米片的占前述两者总质量的质量分数为0.1wt%~1wt%;

（2）将氧化铝粉体装入行星式球磨罐中，磨球为氧化铝球，球磨介质为无水乙醇，氧化铝球，氧化铝粉体和无水乙醇的质量比为6~8:1:1.5~2，室温下300r/min球磨8~9小时，得到步骤（4）所需的氧化铝浆料；

（3）石墨烯纳米片和分散剂萘磺酸钠溶于pH=10~12的蒸馏水中，其中石墨烯纳米片，分散剂萘磺酸钠和蒸馏水质量比为5~7:1:2.5~5，形成石墨烯水溶液中，置于超声波清洗仪内，超声1~2小时；

（4）然后将步骤（3）中的石墨烯水溶液加入到步骤（2）的行星式球磨罐中的氧化铝浆料中，室温下300r/min球磨8~9小时形成混合粉料；

（5）将步骤（4）中球磨后的混合粉料置于石墨模具中，再将石墨模具放置于多功能烧结炉中，以19~21℃/min升温至1495~1505℃，加压25~30Mpa烧结，保温1~1.5小时后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温，得到成品。

所得成品经磨削，切割等工艺，进行其它的性能测试。

所述超声波清洗仪的功率为40W。

所述石墨模具的直径为42mm。

本发明有益效果是：石墨烯具有与碳纳米管和氮化硼纳米管相当的力学性能，其特殊的二维结构，在陶瓷基体中不仅能使裂纹在平面上发生裂纹偏转，甚至能够在三维空间上发生裂纹扩展，进一步提高陶瓷材料的韧性。本发明使用的设备简单而且安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高。产品性能好，石墨烯纳米片增强的氧化铝陶瓷的弯曲强度达到541.9MPa，比纯氧化铝陶瓷提高48%；断裂韧性达到6.4Mpa·m^1/2，同比提高16%。

附图说明

图1为石墨烯纳米片增强样品的X-射线衍射图；

图2a为混合粉料的扫描电镜形貌图；

图2b为样品的扫描电镜形貌图；

图3为石墨烯纳米片增强样品的弯曲强度曲线；

图4为石墨烯纳米片增强样品的断裂韧性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是0.07g石墨烯纳米片，34.93g氧化铝粉体球磨16小时，1500℃，加压25Mpa进行热压烧结，保温1小时后制得的复合材料的X-射线衍射图。图中的衍射峰均是α-Al₂O₃的特征衍射峰，并且衍射峰明显，说明烧结后的氧化铝复合材料结晶良好。同时，由于加入的石墨烯纳米片的质量分数较小，图中没有石墨的衍射峰出现。