[发明专利]一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于无机复合材料制备技术领域，更具体地，涉及一种三维多孔陶瓷‑石墨烯块体复合材料及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：(1)将三维多孔陶瓷块体浸泡在含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液中，使溶液离子渗透进入所述陶瓷块体的孔隙中；取出后烘干表面水分，得到陶瓷‑催化剂块体；(2)将步骤(1)所述陶瓷‑催化剂块体在还原气氛中加热还原，使所述含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐在所述陶瓷‑催化剂块体中还原形成金属颗粒，该金属颗粒为催化剂；然后在含碳气体中进行原位气相沉积使石墨烯生长沉积在所述三维多孔陶瓷骨架表面，制得三维多孔陶瓷‑石墨烯块体复合材料。

技术领域

本发明属于无机复合材料制备技术领域，更具体地，涉及一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料及其制备方法。

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,同时也是其他维碳材料的基本结构单元。2004年曼彻斯特大学的Geim等通过使用胶带直接剥离石墨晶体,首次成功制备出稳定的石墨烯,让人们对石墨烯这种材料有了空前的关注。因其独特的单原子层结构,使得石墨烯具有许多优异的材料性能:禁带宽度为0，透光度约为97.7％,导热系数高达5300W/(m·K)，室温下电子迁移率约为2×105cm²·V·s，电阻率低至10^-6Ω·cm。石墨烯比表面积的理论计算值为2630m²/g，强度达130GPa，杨氏模量约为1100GPa。其断裂强度约为125GPa,与碳纳米管相当。同时,其独特的结构使其具有室温量子霍尔效应、量子隧道效应、双极电场效应和良好的电磁性等特殊性质。这些优异的性能,使其在能源、微电子、复合材料、信息及生物医药等领域具有重大的应用前景。

随着对石墨烯研究的深入,石墨烯在陶瓷基块体复合材料中的应用越来越受到关注。传统的陶瓷基复合材料使用一维碳纤维、碳纳米管以及陶瓷晶须作为增强相,但是这些材料在陶瓷基体中分散不均匀,容易团聚；相对于低维的纳米复合组分来说,石墨烯具有更大的优势,例如能够较好地分散于陶瓷基体中,加之其优异的力学和物化性能,将其复合到陶瓷基块体复合材料中,对提高材料综合性能有很大的潜力,有希望得到具有某些独特性能的结构-功能一体化块体陶瓷复合材料。对于陶瓷/石墨烯块体复合材料，将石墨烯引入陶瓷基体中不仅可以增强陶瓷材料的强度和韧性，还能使陶瓷材料具有低密度、高强度、抗氧化、耐热冲刷、耐烧蚀性能优良等优点，还能赋予陶瓷材料半导体、导电、导热、电化学等性能，可应用于传感器、加热器件、储能电极等诸多领域中。

目前有陶瓷粉体和石墨烯复合、陶瓷/石墨烯复合粉体材料的报道，但是陶瓷粉体复合石墨烯或其制备方法仍存在分散性能、成块性能较差的技术缺陷，且受制于类似于耐腐蚀电极,加热体等方面的应用。因此，开发陶瓷/石墨烯块体复合材料有利于解决这些问题。对于陶瓷/石墨烯块体复合材料,由于制备复杂困难,有关的研究较少，该类复合材料的制备方法,复合模式以及复合比例等对材料性能的影响还都没有得到深入的系统研究。

在制备方法上，传统陶瓷/石墨烯复合材料大多采用氧化石墨烯与陶瓷粉末球磨、煅烧，此类方法不易控制复合材料的复合质量、且氧化石墨烯制备有大量废酸、重金属离子产生，严重污染环境、不利于工业级生产。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料及其制备方法，其充分结合三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料的特点和需求，针对性地对该复合材料的制备工艺进行重新设计，并对制备过程中的关键工艺参数、原料种类进行选择和优化，相应制备得到了一种导电性好、稳定、高强度等综合性能优异的三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料，将石墨烯与陶瓷的特点进行结合，扩宽了石墨烯及陶瓷复合材料的应用前景。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备陶瓷-催化剂块体：