一種高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁硅酸鹽聚合物是一類特殊的具有非晶結(jié)構(gòu)的無機聚合物材料，具有密度低、成本低、耐高溫、耐熱、并且阻燃性能好等優(yōu)點，綠色環(huán)保、制備工藝簡單、消耗能耗少，在建筑和航空領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。值得關(guān)注的是其也可類似于化學(xué)合成的原料，可以視作先驅(qū)體材料使用，經(jīng)過適當?shù)暮唵胃邷靥幚砗罂芍苯愚D(zhuǎn)變?yōu)樾阅軆?yōu)越的榴石陶瓷材料，這為低成本制備復(fù)雜形狀兼具高性能的陶瓷材料開辟了嶄新的途徑。目前，本課題組已采用該方式制備得到的榴石陶瓷材料，如白榴石(K20.Al2O3.4Si02)、銫榴石(Cs2O-Al2O3.4Si02)等在力學(xué)和熱學(xué)性能上表現(xiàn)優(yōu)勢，然而其陶瓷本征脆性和低強度依然很難保證高要求的可靠性。
[0003]石墨烯作為具有發(fā)展?jié)摿Φ膯卧訉佣S晶體，具有輕質(zhì)、高模量高韌性、高導(dǎo)熱/電、耐磨、低熱膨脹等優(yōu)異特性，在航空航天及電子等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。由于具有優(yōu)異的綜合性能，可以用作納米增強體而廣泛應(yīng)用于陶瓷和樹脂基復(fù)合材料中。石墨烯的強韌作用與其在基體中的分散性息息相關(guān)，而分散性則由所制備的氧化石墨烯或石墨烯表面官能團種類決定。相比于石墨烯，氧化石墨烯表面含有大量的含氧基團，表現(xiàn)出較強的親水性并易分散在水性介質(zhì)中，具有良好的潤濕性能和表面活性，在特定高溫環(huán)境(800°C?12000C )可以被還原為石墨烯，該溫度正好與鋁硅酸鹽聚合物前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備榴石陶瓷材料制備溫度區(qū)間相近。目前，將氧化石墨烯應(yīng)用在陶瓷和樹脂基復(fù)合材料中在改善材料的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等綜合性能方面發(fā)揮了非常重要的作用。以氧化石墨烯方式加入鋁硅酸鹽聚合物中分散性較好，團聚少，并且在制備過程中可以原位還原制備得到石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物材料，獲得了較佳的綜合性能；而采用該復(fù)合材料為前驅(qū)體原料制備獲得石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料的研宄未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的石墨烯加入陶瓷中分散性差，導(dǎo)致其性能差的問題，而提供了一種高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明一種高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料是由氧化石墨烯懸浮液、堿激發(fā)溶液及偏高嶺土粉體制備而成；
[0006]所述的氧化石墨烯懸浮液是由氧化石墨烯粉末與去離子水混合而成；所述的氧化石墨烯粉末的質(zhì)量與去離子水的體積比為(I?20)mg:lmL ；
[0007]所述的堿激發(fā)溶液是由堿性氫氧化物與質(zhì)量濃度為25%?45%的硅溶膠混合而成；所述的堿性氫氧化物中的金屬元素與質(zhì)量濃度為25%?45%的硅溶膠中硅元素的摩爾比為1: (0.5?1.5)；
[0008]所述的氧化石墨稀懸浮液與堿激發(fā)溶液的體積比為1: (1.5?2.5)；
[0009]所述的高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料中硅元素與鋁元素的摩爾比為(1.5?2.5):1。
[0010]本發(fā)明一種高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料的制備方法按以下步驟進行:
[0011]一、氧化石墨烯懸浮液的制備:將氧化石墨烯粉末均勻分散于去離子水中，超聲處理2h?6h，得到棕黃色氧化石墨稀懸浮液；
[0012]所述的氧化石墨烯粉末的質(zhì)量與去離子水的體積比為(I?20)mg:1mL ；
[0013]二、堿激發(fā)溶液的制備:將堿性氫氧化物加入到質(zhì)量濃度為25%?45%的硅溶膠中，磁力攪拌混合24h?72h，得到堿激發(fā)溶液；
[0014]所述的堿性氫氧化物中的金屬元素與質(zhì)量濃度為25%?45%的硅溶膠中硅元素的摩爾比為1: (0.5?1.5)；
[0015]三、氧化石墨烯/堿激發(fā)混合液的配制:將棕黃色氧化石墨烯懸浮液加入到堿激發(fā)溶液中，磁力攪拌混合1min?30min，得到氧化石墨稀/堿激發(fā)混合液；
[0016]所述的氧化石墨稀懸浮液與堿激發(fā)溶液的體積比為1: (1.5?2.5)；
[0017]四、石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物前驅(qū)體漿料的配制:將氧化石墨烯/堿激發(fā)混合液置于溫度為0°C?5°C的冰水浴中，再加入偏高嶺土粉體，超聲并機械攪拌25min?45min，然后加入去離子水，調(diào)節(jié)至石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物前驅(qū)體漿料在剪切速率60S—1?80S ―1時粘度為150mPa.s?500mPa.s，得到石墨稀/銷娃酸鹽聚合物前驅(qū)體楽料；
[0018]五、前驅(qū)體固化成型:將石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物前驅(qū)體漿料倒入模具中，并置于真空箱內(nèi)排氣，然后置于溫度為40°C?80°C的干燥箱內(nèi)養(yǎng)護24h?240h，得到石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物前驅(qū)體材料；
[0019]六、高溫處理:在真空或惰性氣氛保護下，按升溫速度為5°C /min?15°C /min，將溫度升溫至800°C?1400°C，然后在溫度為800°C?1400°C的條件下，將石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物前驅(qū)體材料高溫處理15min?120min，即得到高溫原位生成的石墨稀/植石納米復(fù)相陶瓷材料；
[0020]所述的高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料中硅元素與鋁元素的摩爾比為(1.5?2.5):1。
[0021]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明制備得到的高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料，利用鋁硅酸鹽可以在較低溫度下實現(xiàn)陶瓷化的優(yōu)勢及氧化石墨烯上的含氧官能團的親水性、易分散性，與鋁硅酸鹽聚合物料漿均勻混合分散及一步原位還原得到石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物前驅(qū)體，通過簡單的高溫處理二次還原石墨烯得到高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料。且利用了鋁硅酸鹽聚合物材料經(jīng)過簡單高溫處理后可直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱袷沾刹牧系奶攸c及氧化石墨烯在鋁硅酸鹽聚合物漿料中分散性好、高溫可以轉(zhuǎn)化為石墨烯的優(yōu)勢，克服和解決了榴石材料制備和直接引入石墨烯分散性差的難題，制備工藝簡單，減小能耗，成本與同類以石墨烯直接加入方式得到的復(fù)合材料相比價格低廉。陶瓷化溫度低，對石墨烯納米添加相沒有熱物理損傷，不改變其性能，成型過程可以使用不同形狀模具，制成復(fù)雜形狀的構(gòu)件和器件。本發(fā)明制作的高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料石墨稀分布均勾，密度為2.lg/cm3?2.3g/cm 3，斷裂韌性可到0.9MPa.m1/2?2.1MPa.m1/2，抗彎強度可以達到35MPa?95MPa,彈性模量可達到45GPa?65GPa，可在1000 °C高溫環(huán)境使用。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例二制備的高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料的XRD圖，I為白榴石相。
【具體實施方式】
[0023]【具體實施方式】一:本實施方式一種高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料是由氧化石墨烯懸浮液、堿激發(fā)溶液及偏高嶺土粉體制備而成；
[0024]所述的氧化石墨烯懸浮液是由氧化石墨烯粉末與去離子水混合而成；所述的氧化石墨烯粉末的質(zhì)量與去離子水的體積比為(I?20)mg:lmL ；
[0025]所述的堿激發(fā)溶液是由堿性氫氧化物與質(zhì)量濃度為25%?45%的硅溶膠混合而成；所述的堿性氫氧化物中的金屬元素與質(zhì)量濃度為25%?45%的硅溶膠中硅元素的摩爾比為1: (0.5?1.5)；
[0026]所述的氧化石墨稀懸浮液與堿激發(fā)溶液的體積比為1: (1.5?2.5)；
[0027]所述的高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料中硅元素與鋁元素的摩爾比為(1.5?2.5):1。
[0028]所述的去離子水為中性。
[0029]所述的高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料中硅元素與鋁元素的摩爾比為(1.5?2.5):1是由氧化石墨烯/堿激發(fā)混合液與偏高嶺土粉體的加入比例控制。
[0030]本實施方式的有益效果:本實施方式制備得到的高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料，利用鋁硅酸鹽可以在較低溫度下實現(xiàn)陶瓷化的優(yōu)勢及氧化石墨烯上的含氧官能團的親水性、易分散性，與鋁硅酸鹽聚合物料漿均勻混合分散及一步原位還原得到石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物前驅(qū)體，通過簡單的高溫處理二次還原石墨烯得到高溫原位生成的石墨烯/榴石納米復(fù)相陶瓷材料。且利用了鋁硅酸鹽聚合物材料經(jīng)過簡單高溫處理后可直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱袷沾刹牧系奶攸c及氧化石墨烯在鋁硅酸鹽聚合物漿料