[发明专利]一种大尺寸、高强度石墨烯纳米片/碳化硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种大尺寸、高强度石墨烯纳米片/碳化硅复合材料及其制备方法，所述制备方法包括：以碳化硅、碳化硼、石墨烯纳米片和碳黑为原料，按照石墨烯纳米片/碳化硅复合材料的原料组分称量并混合，得到原料粉体，所述原料组分包括：81～98wt%碳化硅、0.5～6wt%碳黑、0.5～3wt%碳化硼和1～10wt%石墨烯纳米片，各组分含量和为100wt%；将所得原料粉体置于模具中进行热压烧结，得到所述石墨烯纳米片/碳化硅复合材料，所述热压烧结的烧结温度为1900～2200℃，烧结压力为20～80MPa。

技术领域

本发明涉及一种大尺寸、高强度石墨烯纳米片/碳化硅复合材料及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。

背景技术

石墨烯是已知强度最高的物质，达到了130Gpa，是钢的100多倍；导热系数高达5300W/(m·K)，高于碳纳米管和金刚石；电子迁移率可达到200000cm²/(V·s)，比纳米碳管或硅晶体还高。

碳化硅(SiC)是传统的结构-功能陶瓷，其原子半径小、禁带宽、键长短、共价键性强，因而具有优良的力学、热学、电学、耐化学腐蚀、耐辐照、抗放射、吸波等特性，被广泛应用于防弹装甲、精密轴承、热交换器部件、原子热反应堆材料及空间光学应用材料。碳化硅陶瓷也是目前公认的防弹陶瓷材料，可有效减小子弹和破片的纵向侵彻深度。但是，碳化硅陶瓷的韧性较低，容易断裂，严重限制了其应用范围。

碳化硅是制备高质量、大尺寸石墨烯的最佳原料之一，与石墨烯具有很好的相容性。石墨烯纳米片掺杂碳化硅陶瓷的研究是近年来无机材料领域的一个热点。利用石墨烯优异的力学性能可有有效增加碳化硅陶瓷的韧性。但是，目前这方面的工作主要集中在小样品的试验阶段，西班牙的M.Belmonte等(Scripta Materialia(2016；113:127-30))公开了高强度石墨烯纳米片/碳化硅复合材料的制备方法。但是，这种采用SPS的制备方法目前只适用于小尺寸样品(通常外径40mm以内)的制备；并且其内在的机理尚未完全清楚。虽然，Sedlak等(Journal of the European Ceramic Society 2017，37，(14):4307-14)公开了石墨烯纳米片/碳化硅复合材料的热压烧结方法。但是，他们制备的复合材料的微观结构显示晶粒异常长大，晶粒尺寸在10μm左右，部分晶粒尺寸达到20μm。这样的微观结构，导致其抗弯强度只有290MPa，未能体现出石墨烯纳米片的优异力学性能。

发明内容

针对现有石墨烯纳米片/碳化硅复合材料的小尺寸、低力学性能等问题，本发明的目的在于提供一种大尺寸、高强度石墨烯纳米片/碳化硅复合材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种石墨烯纳米片/碳化硅复合材料的制备方法，包括：

以碳化硅、碳化硼、石墨烯纳米片和碳黑为原料，按照石墨烯纳米片/碳化硅复合材料的组分称量并混合，得到原料粉体，所述组分包括：81～98wt％碳化硅、0.5～6wt％碳黑、0.5～3wt％碳化硼和1～10wt％石墨烯纳米片，各组分含量和为100wt％；

将所得原料粉体置于模具中进行热压烧结，得到所述石墨烯纳米片/碳化硅复合材料，所述热压烧结的烧结温度为1900～2200℃，烧结压力为20～80MPa。

本发明中，在碳化硅粉体的基础上，采用碳黑-碳化硼-石墨烯纳米片复合烧结助剂，在热压烧结(烧结温度为1900～2200℃，烧结压力为20～80MPa)过程中，抑制碳化硅晶粒长大并使碳化硅晶粒保持在2μm以下。其中碳黑可以与碳化硅表面的氧化硅反应，促进致密化；而碳化硼能与碳化硅发生部分固溶，从而加速物质传递，提高材料强度；石墨烯能隔绝晶粒生长，从而限制晶粒尺寸。而且石墨烯纳米片可有效绑定晶粒(如图1所示)，使得石墨烯纳米片形成定向掺杂，最终实现增强、增韧的效果。