[发明专利]一种高导热远红外纳米陶瓷-石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高导热远红外纳米陶瓷‑石墨烯复合材料及其制备方法，属于陶瓷组合物技术领域。本发明在石墨烯及陶瓷的复合材料中引入以双(4‑氨基苯基)醚与4,4'‑氧双邻苯二甲酸酐合成得到的聚合物，通过对聚合物进行热处理及碳化，使石墨烯、聚合物链之间形成连续的碳骨架，碳化后两者的晶格结构相似，聚合物链有效连接了相邻的石墨烯，两者高匹配度的晶格结构减弱了骨架中石墨烯之间的热载子散射，使热载子的传输通道畅通，降低了接触区域的声子散射及接触界面热阻，使材料的导热效果得到提升。

技术领域

本发明涉及陶瓷组合物技术领域，尤其涉及一种高导热远红外纳米陶瓷-石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

陶瓷材料具有高硬度、耐腐蚀、抗氧化等优良特性，适合在各类不同环境下使用。陶瓷的质地坚硬但脆性大，机械不可靠性和较低的导电导热性也限制了陶瓷材料的广泛应用，在陶瓷基中引入其他相的增强材料是优化陶瓷性能和结构常用的方法。石墨烯及其衍生物是一种广泛应用的纳米材料，具有优异的导电及导热性能，可作为增强材料与陶瓷结合，进而有效提升材料的综合性能。

中国专利CN104876611A公开了一种石墨烯增强陶瓷及其制备方法，该发明将水性钛酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯粉体，在磁场中进行超声处理得到石墨烯分散液；在外加磁场中对石墨烯分散液进行蒸馏或减压蒸馏得到石墨烯浓缩液，然后再进行干燥处理得到经水性钛酸酯修饰的石墨烯，将陶瓷粉、烧结助剂与水性钛酸酯修饰的石墨烯混合后投入无水乙醇中进行超声分散，结束后对分散液用球磨机球磨混合并进行干燥、成型、烧结制得石墨烯增强陶瓷；该发明的石墨烯增强陶瓷具有陶瓷半导体、导电、导热和电化学等功能特性。然而在烧结的过程中，石墨烯在烧结的过程中处于无序状态，其晶粒与陶瓷的结合程度较差，难以形成统一的网络，实际生产中其导热性能难以达到预期效果。

中国专利CN112409006A提供了一种增强增韧改性石墨烯非氧化物陶瓷材料的制备方法，该发明制备了接枝有氮化硼纳米片和纳米粒子的改性石墨烯材料，将其添加到非氧化物陶瓷基体中表现出良好的分散性和相容性，不仅能够充分发挥了石墨烯、纳米粒子和氮化硼纳米片自身的性能优势，克服三者易于团聚的缺点，同时对得到的非氧化物陶瓷基体起到了增强、增韧的作用，进而提高了非氧化物陶瓷材料的应用性能。然而材料间的物理接触导致框架中氮化硼之间存在晶格错配和弱界面，从而在这些接触区域产生强烈的声子散射，使得接触界面热阻较高，让材料的导热性能下降。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的问题是提供一种具有优异导热性能的远红外纳米陶瓷-石墨烯复合材料及其制备方法。

陶瓷基复合材料在导热的过程中，热流穿过界面时，界面处晶格的不规则中断会导致热载子如电子、声子不能全部穿过界面，在界面两侧形成温度差，使得材料的接触界面热阻提高，导热性能下降。石墨烯材料虽然具有良好的导热性能，但是陶瓷和石墨烯间的弱界面接触及间断连接仍会导致体系的接触界面热阻较高，不利于导热。

为了解决这一技术问题，本发明通过在石墨烯及陶瓷的复合材料中引入了聚合物，通过对聚合物进行亚胺化处理及碳化，使石墨烯、聚合物链之间形成连续的碳骨架。碳化后的聚合物链与石墨烯的晶格结构相似，可以降低接触区域的声子散射及接触界面热阻，使材料的导热效果得到提升。

一种高导热远红外纳米陶瓷-石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、将石墨薄片加入混合酸液中，经超声分散后得到石墨薄片悬浮液；向所述悬浮液中继续加入高锰酸钾，升温并进行氧化反应，依次加入水及双氧水以结束反应；反应结束后，产物经离心处理，收集下层沉淀，沉淀经水洗、干燥，得到改性石墨烯，备用；

S2、无氧条件下，将双(4-氨基苯基)醚溶于N,N-二甲基甲酰胺，向该溶液中继续加4,4'-氧双邻苯二甲酸酐，降低温度并进行聚合反应；反应结束后将反应产物倒入丙酮进行沉淀，过滤收集滤饼，滤饼经丙酮洗涤、冷冻干燥，得到聚合产物，备用；