[发明专利]石墨烯改性陶瓷复合材料、制备方法以及制件

说明书

本发明涉及一种石墨烯改性陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供陶瓷粉体和石墨烯纳米片分散液，所述石墨烯纳米片分散液包括石墨烯纳米片，所述陶瓷粉体和所述石墨烯纳米片的质量比为(50～200):1；将所述陶瓷粉体置于压力铸造机的型腔中，所述石墨烯纳米片分散液置于压力铸造机的压室，在压射作用下，使所述石墨烯纳米片分散液进入压力铸造机的型腔与所述陶瓷粉体混合，混合物干燥得石墨烯陶瓷混合粉体，其中，压力铸造机的压射比压为20MPa～50MPa，压射速度为0.5m/s～5m/s，保压时间为10s～180s；以及将所述石墨烯陶瓷混合粉体成型、烧结。本发明进一步涉及一种石墨烯改性陶瓷复合材料以及制件。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，特别是涉及一种石墨烯改性陶瓷复合材料、制备方法及其制件。

背景技术

陶瓷材料相对于合金材料具有高硬度、低热膨胀系数、耐高温、耐腐蚀等特性，被广泛应用于机械、化工和冶金等高温结构材料领域，并且在航空航天工业及能源工业等领域具有巨大的应用潜力。但是由于其材料特性，陶瓷材料具有脆性较大，断裂韧性较低、导热率不高的缺点，在使用过程中常常出现破损失效，陶瓷产品的使用可靠性差，限制了陶瓷材料的发展。而且，随着工业领域对陶瓷性能要求的不断提高，陶瓷材料的改性研究迫在眉睫。

石墨烯是一种由碳原子组成的蜂窝状二维平面结构材料，由于其独特的二维蜂窝晶体结构和极高的键强度，石墨烯是目前已知的世界上比强度最高的材料，其杨氏模量约为1000GPa，同时由于石墨烯的二维结构而使得其具有高韧性，此外，石墨烯的理论导热率为5300W/(m·K)，因此，利用石墨烯的超高强度、高韧性和导热性能，可以和陶瓷材料进行复合，制备高强韧高导热的石墨烯陶瓷基复合材料。

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，但是由于石墨烯和陶瓷粉末密度差异较大，而且石墨烯易团聚，传统的石墨烯陶瓷基复合材料的制备方法，石墨烯和陶瓷粉末均难以分散，石墨烯和陶瓷材料无法均匀混合，成分不均匀造成复合材料脆性大，断裂韧性差，容易发生断裂失效，而且导热较差，无法满足现有需求。

发明内容

基于此，有必要提供一种石墨烯改性陶瓷复合材料、制备方法及其制件，使石墨烯和陶瓷能够均匀混合，形成的复合材料具有优异的断裂韧性和良好的导热性能。

本发明的一个方面，提供了一种石墨烯改性陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

提供陶瓷粉体和石墨烯纳米片分散液，所述石墨烯纳米片分散液包括石墨烯纳米片，所述陶瓷粉体和所述石墨烯纳米片的质量比为(50～200):1；

将所述陶瓷粉体置于压力铸造机的型腔中，所述石墨烯纳米片分散液置于压力铸造机的压室，在压射作用下，使所述石墨烯纳米片分散液进入压力铸造机的型腔与所述陶瓷粉体混合，混合物干燥得石墨烯陶瓷混合粉体，其中，压力铸造机的压射比压为20MPa～50MPa，压射速度为0.5m/s～5m/s，保压时间为10s～180s；以及

将所述石墨烯陶瓷混合粉体成型、烧结。

在其中一个实施例中，所述压力铸造的压射比压为30MPa～40MPa，所述压力铸造机的压射速度为1m/s～3m/s。

在其中一个实施例中，所述陶瓷粉体由陶瓷分散液进行干燥处理得到，所述陶瓷分散液为包含陶瓷材料、第一分散剂和第一溶剂的分散系，所述第一分散剂包括聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸铵中的一种或多种，所述第一溶剂为水和/或乙醇。

在其中一个实施例中，所述石墨烯纳米片分散液为包含石墨烯纳米片和第二分散剂的分散系，所述第二分散剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基-2-吡咯烷酮中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述石墨烯纳米片分散液还包括界面活性剂。

在其中一个实施例中，所述陶瓷粉体粒径为0.1微米～5微米。