[发明专利]具有平行排列石墨烯/陶瓷复合材料及低成本制备方法

说明书

本发明涉及一种具有平行排列石墨烯/陶瓷复合材料及低成本制备方法，属于陶瓷基复合材料技术领域。本方法以可膨胀石墨和陶瓷前驱体为原料，首先对原料可膨胀石墨在常压下加热，得到膨胀石墨；将膨胀石墨与原料陶器前驱体放置于同一容器中，使陶瓷前驱体完全浸润膨胀石墨，真空除泡后得到由膨胀石墨和陶瓷前驱体共同组成的固液混合物；对其进行磁力搅拌，得到石墨烯在陶瓷前驱体中的悬浊液；将乙醇溶液加入悬浊液中并干燥、烘干和烧结，得到石墨烯平行排列的陶瓷基复合材料。本方法使用原料成本低，制备工艺简单、时间短，而且可以多种陶瓷基复合材料，制备的陶瓷基复合材料的力学性能良好，具有良好的电磁屏蔽效能。

技术领域

本发明涉及一种具有平行排列石墨烯/陶瓷复合材料及低成本制备方法，属于陶瓷基复合材料技术领域。

背景技术

石墨烯是一种由sp²杂化的碳原子以六边形周期排列形成的二维结构，其厚度只有0.335nm，是目前世界上发现的最薄却最坚硬的材料，同时也是其他维度碳材料的基本结构单元。陶瓷基复合材料是一种以陶瓷为基体与其它材料复合而成的材料，其中陶瓷基体可为氧化硅、氧化铝、氧化锆或氧化钛等氧化物陶瓷，也可为碳化硅、碳化硼或硼化钛等非氧化物陶瓷。这些陶瓷材料大多具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，而裂纹极易发生扩展，致使整个材料断裂失效。而采用石墨烯与基体复合，是提高陶瓷韧性和使用可靠性的有效方法。石墨烯的加入对裂纹尖端有着桥连作用，并能够延长裂纹扩展的路径，从而得到有优良力学性能的石墨烯增强陶瓷基复合材料。石墨烯本身可作为一种电磁屏蔽材料，但无法单独使用，而与某些陶瓷材料复合之后，就能够成为一种轻质高强的电磁屏蔽材料。

目前广泛采用的石墨烯/陶瓷复合材料的制备方法是以石墨烯分散液和超细陶瓷粉体为原料，通过长时间的超声和球磨等方式加以混合，再进行烧结，得到石墨烯增强陶瓷基复合材料。这种制备方法的不足之处在于：所涉及的原料价格高昂，无法大量制备复合材料；混合过程不仅耗时耗能，而且破坏了石墨烯原有的片状结构；所制备出的复合材料中，石墨烯分布混乱不均，没有明显的择优取向；复合材料力学性能的改善不够明显，尤其是无法使断裂韧性和抗弯强度同时提高；随机不均的分布也无法发挥石墨烯对电磁波的屏蔽作用。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有平行排列石墨烯/陶瓷复合材料及低成本制备方法，以较低的成本制备出具有良好力学性能和电磁屏蔽效能的平行石墨烯增强陶瓷基复合材料，并使制备方法简便易行、成本低廉，适用与工业生产。

本发明提出的具有平行排列石墨烯/陶瓷复合材料，复合材料中的石墨烯处于彼此平行的状态，复合材料中的陶瓷基体为SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂或SiC中的任何一种。

本发明提出的具有平行排列石墨烯/陶瓷复合材料的低成本制备方法，包括以下步骤：

(1)以可膨胀石墨和陶瓷前驱体为原料，按照可膨胀石墨与陶瓷前驱体的质量比为1︰(400～200)进行称量，所述的陶瓷前驱体为正硅酸乙酯、乙氧基铝或异丙醇锆，陶瓷前驱体在室温下呈液态；

(2)对上述步骤(1)中的原料可膨胀石墨在常压下进行加热，加热温度为750～950℃，加热时间20～30秒，得到膨胀石墨；

(3)将上述步骤(2)的膨胀石墨与原料陶器前驱体放置于同一容器中，使陶瓷前驱体完全浸润膨胀石墨，并用真空除泡，真空度为8～12Pa，真空除泡时间为15～30分钟，得到由膨胀石墨和陶瓷前驱体共同组成的固液混合物；

(4)对上述步骤(3)的固液混合物进行磁力搅拌，搅拌功率为100～200W，转速为1200～1400r/min，搅拌时间2.5～4.5小时，得到石墨烯在陶瓷前驱体中的悬浊液；