CN105801154A - 一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子无机化学领域,具体涉及一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法。具体方法为:以氧化石墨为碳源,采用水热法在还原氧化石墨烯表面包裹一层SiO2颗粒,使石墨烯与SiC形成良好的界面层且分散均匀,同时在高温烧结过程在石墨烯与SiO2界面处通过碳热还原反应,原位生长碳化硅晶须及颗粒,提高界面强度和抗氧化能力,产生界面强化作用,增加裂纹扩展阻力,进一步改善陶瓷断裂韧性。本发明针对现有石墨烯/碳化硅复合材料制备技术中石墨烯分散性差和高温抗氧化性差的缺点,将原位生长、裂纹自愈合及强韧化机理应用于石墨烯/碳化硅材料的制备技术中,获得机械性能、界面结合性能优良的石墨烯增韧碳化硅陶瓷。
Description
技术领域
本发明属于高分子无机化学领域,具体涉及一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法。
背景技术
碳化硅陶瓷具有耐高温、高硬度、耐磨、热膨胀系数低、导热系数高、耐化学腐蚀及介电、透波等特点,是理想的高温结构材料,在航空航天、机械、电子等领域有着广阔的应用前景。但是由于碳化硅是一种强的共价键结合的稳定化合物,热扩散系数低,很难烧结致密化,同时碳化硅陶瓷存在脆性大、高温抗氧化性差、易产生裂纹、使用寿命短等缺陷,限制了其高温条件下的应用。所以急需开发一种新型高致密性、高韧性、高抗氧化性的碳化硅陶瓷材料。
近年来,石墨烯作为自然界最薄、强度最高、也是最强韧的材料,成为科学界新的研究热点。石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料,硬度超过钻石,同时又像橡胶一样可以伸展,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。因此考虑将石墨烯与碳化硅结合可获得低密度、高比模量和良好的高温断裂韧性的石墨烯/碳化硅复合材料。
目前关于石墨烯/碳化硅陶瓷复合材料的报道已有不少。中国发明专利《一种石墨烯碳化硅砖及其制备方法》(专利公布号:CN105110798A)将石墨烯、硅石纳米碳化硅直接混合、成型、烧结制备石墨烯碳化硅砖。石墨烯使硅砖内部接触更紧密,减少烧成时因膨胀产生的应力,防止制品疏松开裂,石墨烯的高强度保证了硅砖的力学性能,同时提高硅砖的抗酸碱腐蚀性能。中国发明专利《一种利用纳米碳管、石墨烯为碳源制备碳化硅浆料方法》(专利公布号:CN103833034B)以石墨烯、碳纳米管为碳源制备碳化硅浆料。中国发明专利《一种增韧碳化硅棚板及其制备方法》(专利公布号:CN105110799A),将碳化硅颗粒、石墨烯、抗氧化剂混合烧结成轻质硅砖;石墨烯在棚板内部高度均匀分散,促进烧结,提高制品的强度和抗热震性能。中国发明专利《一种高热导率无压烧结碳化硅陶瓷材料及其制备方法》(专利公布号:CN104926312A),将碳化硅、石墨烯、碳化硼等按特定配比,压制成坯体,真空条件下无压烧结,制得SiC陶瓷材料,石墨烯均匀分布于SiC基体材料中,并与SiC形成紧密结合,避免了材料内部气孔对声子散射导致的热导率降低抵消并超过引入石墨烯对热导率提高的作用,既保证了陶瓷材料的致密化,同时又达到较高的热导率,保证了材料均匀一致。中国发明专利《一种耐化学腐蚀性好的碳化硅陶瓷》(专利公布号:CN104876583A)在碳化硅陶瓷中添加石墨烯、短切碳纤维提高碳化硅的力学性能,提高陶瓷的断裂韧性,提高素坯的强度和致密度,满足机械加工要求,添加的石墨烯制造的陶瓷更耐热、更结实且耐压强度大大提高。然而这些方法的不足之处在于石墨烯极易团聚,分散性较差,如果与碳化硅直接机械混合,导致物料均匀性较差,同时石墨烯与碳化硅的界面结合强度不高,在1600℃以上氧气氛下的抗氧化性能大大降低,容易产生裂纹和气孔导致高温下氧化介质可以直接作用到材料内部,消弱抗氧化能力,缩短寿命,严重影响复合材料的高温机械性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高致密性、高韧性、高抗氧化性的石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法。该方法采用水热还原法制备石墨烯/SiO2复合粉体,并通过碳热还原反应进一步在石墨烯/碳化硅界面生成碳化硅晶须材料,实现碳化硅陶瓷增韧目的。
本发明采用以下技术方案,具体步骤如下:
一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将石墨烯加入醇水溶液中搅拌均匀,超声分散0.5~5小时,配制浓度为0.5g/L~5g/L的石墨烯分散液;
(2)按照正硅酸乙酯和氧化石墨20:1~1:1的质量比,向氧化石墨溶液中加入正硅酸乙酯,再加入少量还原剂,持续磁力搅拌0.5~5小时,使其充分溶解、混合均匀,制得氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液;
(3)将上述氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液放置于不锈钢反应釜中,加热100~200℃,水热还原反应1~24小时。待反应结束后,将产物抽滤,用去离子水、无水乙醇反复洗涤,在50~100℃真空干燥12~72小时,获得改性剂石墨烯/SiO2复合粉体;
(4)将主料碳化硅颗粒、烧结助剂氧化铝粉体、改性剂石墨烯/SiO2复合粉体按照一定质量配比加入球磨机中球磨混合均匀,球磨时间5~50小时。取出干燥、粉粹后过筛,目数为200~2000目。然后采用机压成型方式粉末压坯,所加压力为20~200Mpa;
(5)将步骤4中碳化硅陶瓷胚料置于烧结炉中氩气保护或真空烧结,升温速率为1~50℃/分钟,烧结温度为1100~2100℃,保温时间为0.5~5小时,随炉冷却至室温,最终获得一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷材料。
所述醇水溶液为无水乙醇和去离子水混合溶液,其中无水乙醇和去离子水体积比为1:9~9:1。
所述还原剂为质量分数25%~28%的氨水溶液,以醇水溶液体积为标准1,则催化剂氨水溶液体积为1/12~1/8。
所述不锈钢反应釜中加入溶液的体积占反应釜容积的百分比为40%~80%。
所述主料碳化硅所占质量百分数为70~98wt%,烧结助剂氧化铝粉体所占质量百分数为1~10wt%,改性剂石墨烯/SiO2复合粉体所占质量百分数为1~20wt%。
本发明提出一种新型SiO2包裹石墨烯/碳化硅陶瓷的制备方法。以氧化石墨为碳源,采用水热法在还原氧化石墨烯表面包裹一层SiO2颗粒,使石墨烯与SiC形成良好的界面层且分散均匀,同时在高温烧结过程在石墨烯与SiO2界面处通过碳热还原反应,原位生长碳化硅晶须及颗粒,提高界面强度和抗氧化能力,产生界面强化作用,增加裂纹扩展阻力,进一步改善陶瓷断裂韧性。
本发明克服的技术难点有:(1)二氧化硅在石墨烯表面的包裹要均匀,才能获得分散均匀的碳化硅颗粒或晶须;(2)碳化硅陶瓷引入SiO2玻璃相的选择,利用玻璃相封填孔隙和裂纹的扩散通道,阻止环境介质渗入材料内部;(3)碳化硅陶瓷烧结致密性问题的解决,选择不同的烧结工艺(热压烧结、微波烧结、反应烧结等),调整工艺参数(烧结温度、保温时间、升温速率等)实现碳化硅陶瓷的致密化。
本发明的有益效果:
1、本发明针对现有石墨烯/碳化硅复合材料制备技术中石墨烯分散性差和高温抗氧化性差的缺点,将原位生长、裂纹自愈合及强韧化机理应用于石墨烯/碳化硅材料的制备技术中,获得机械性能、界面结合性能优良的石墨烯增韧碳化硅陶瓷。
2、本发明采用水热还原法在石墨烯表面包裹SiO2颗粒,解决了石墨烯分散不均匀的问题,同时原位生长形成碳化硅晶须及颗粒,产生界面强化作用,提高陶瓷韧性,达到石墨烯的二维多层结构与碳化硅一维棒状结构的协同增韧效果,为碳化硅陶瓷增韧机理研究奠定良好的理论基础和实践基础。
3、本发明利用自愈合机理,在碳化硅陶瓷中引入SiO2玻璃相,高温时玻璃相液化封填孔隙和裂纹的扩散通道,阻止环境介质渗入材料内部,提高碳化硅/石墨烯的复合材料致密性和高温抗氧化性。
附图说明
图1为实施例4中(a)氧化石墨,(b)石墨烯/SiO2复合粉体的XRD图。
图2为实施例4中石墨烯增韧碳化硅陶瓷的XRD图。
具体实施方式
一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将石墨烯加入醇水溶液中搅拌均匀,超声分散0.5~5小时,配制浓度为0.5g/L~5g/L的石墨烯分散液;
(2)按照正硅酸乙酯和氧化石墨20:1~1:1的质量比,向氧化石墨溶液中加入正硅酸乙酯,再加入少量还原剂,持续磁力搅拌0.5~5小时,使其充分溶解、混合均匀,制得氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液;
(3)将上述氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液放置于不锈钢反应釜中,加热100~200℃,水热还原反应1~24小时。待反应结束后,将产物抽滤,用去离子水、无水乙醇反复洗涤,在50~100℃真空干燥12~72小时,获得改性剂石墨烯/SiO2复合粉体;
(4)将主料碳化硅颗粒、烧结助剂氧化铝粉体、改性剂石墨烯/SiO2复合粉体按照一定质量配比加入球磨机中球磨混合均匀,球磨时间5~50小时。取出干燥、粉粹后过筛,目数为200~2000目。然后采用机压成型方式粉末压坯,所加压力为20~200Mpa;
(5)将步骤4中碳化硅陶瓷胚料置于烧结炉中氩气保护或真空烧结,升温速率为1~50℃/分钟,烧结温度为1100℃~2100℃,保温时间为0.5~5小时,随炉冷却至室温,最终获得一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷材料。
下面结合具体实施例进行描述:
实施例1:
称量20mg的氧化石墨加入40mL醇水溶液(无水乙醇和去离子水体积比为1:9)中搅拌均匀,超声分散0.5小时,配制的氧化石墨溶液浓度为0.5g/L。再加入0.4g正硅酸乙酯、1mL还原剂氨水,其中正硅酸乙酯和氧化石墨的质量比为20:1,持续磁力搅拌0.5小时,使其充分溶解、混合均匀。将氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液放置于容积为100mL的不锈钢反应釜中,溶液体积比为40%,加热温度为100oC,水热还原反应1小时。待反应结束后,将产物抽滤,用去离子水、无水乙醇反复洗涤,在50℃真空干燥12小时,获得SiO2包裹的石墨烯复合粉体。然后将质量分数70wt%的碳化硅颗粒、10wt%的氧化铝粉体和20wt%的石墨烯/SiO2复合粉体加入球磨机中研磨均匀,球磨时间5小时。取出干燥、粉粹后过筛,目数为200目。然后采用机压成型方式粉末压坯,所加压力为20Mpa。将获得的碳化硅陶瓷胚料置于烧结炉中氩气保护,以1℃/分钟的升温速率在1100℃保温0.5小时,随炉冷却至室温,最终获得一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷材料。
实施例2:
称量180mg的氧化石墨加入60mL醇水溶液(无水乙醇和去离子水体积比为1:1)中搅拌均匀,超声分散3小时,配制的氧化石墨溶液浓度为3g/L。再加入1.8g正硅酸乙酯、5mL还原剂氨水,其中正硅酸乙酯和氧化石墨的质量比为10:1,持续磁力搅拌3小时,使其充分溶解、混合均匀。将氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液放置于容积为100mL的不锈钢反应釜中,溶液体积比为60%,加热温度为150℃,水热还原反应12小时。待反应结束后,将产物抽滤,用去离子水、无水乙醇反复洗涤,在80℃真空干燥48小时,获得SiO2包裹的石墨烯复合粉体。然后将质量分数85wt%的碳化硅颗粒、5wt%的氧化铝粉体和10wt%的石墨烯/SiO2复合粉体加入球磨机中研磨均匀,球磨时间24小时。取出干燥、粉粹后过筛,目数为1000目。然后采用机压成型方式粉末压坯,所加压力为100Mpa。将获得的碳化硅陶瓷胚料置于烧结炉中氩气保护,以25℃/分钟的升温速率在1600℃保温3小时,随炉冷却至室温,最终获得一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷材料。
实施例3:
称量400mg的氧化石墨加入80mL醇水溶液(无水乙醇和去离子水体积比为9:1)中搅拌均匀,超声分散5小时,配制的氧化石墨溶液浓度为5g/L。再加入0.4g正硅酸乙酯、10mL还原剂氨水,其中正硅酸乙酯和氧化石墨的质量比为1:1,持续磁力搅拌5小时,使其充分溶解、混合均匀。将氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液放置于容积为100mL的不锈钢反应釜中,溶液体积比为80%,加热温度为200oC,水热还原反应24小时。待反应结束后,将产物抽滤,用去离子水、无水乙醇反复洗涤,在100℃真空干燥72小时,获得SiO2包裹的石墨烯复合粉体。然后将质量分数98wt%的碳化硅颗粒、1wt%的氧化铝粉体和1wt%的石墨烯/SiO2复合粉体加入球磨机中研磨均匀,球磨时间50小时。取出干燥、粉粹后过筛,目数为2000目。然后采用机压成型方式粉末压坯,所加压力为200Mpa。将获得的碳化硅陶瓷胚料置于烧结炉中真空烧结,以50℃/分钟的升温速率在2100℃保温5小时,随炉冷却至室温,最终获得一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷材料。
实施例4:
称量60mg的氧化石墨加入60mL醇水溶液(无水乙醇和去离子水体积比为1:1)中搅拌均匀,超声分散3小时,配制的氧化石墨溶液浓度为1g/L。再加入0.6g正硅酸乙酯、5mL还原剂氨水,其中正硅酸乙酯和氧化石墨的质量比为10:1,持续磁力搅拌3小时,使其充分溶解、混合均匀。将氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液放置于容积为100mL的不锈钢反应釜中,溶液体积比为60%,加热温度为150oC,水热还原反应12小时。待反应结束后,将产物抽滤,用去离子水、无水乙醇反复洗涤,在80℃真空干燥48小时,获得SiO2包裹的石墨烯复合粉体。然后将质量分数78wt%的碳化硅颗粒、2wt%的氧化铝粉体和20wt%的石墨烯/SiO2复合粉体加入球磨机中研磨均匀,球磨时间24小时。取出干燥、粉粹后过筛,目数为1000目。然后采用机压成型方式粉末压坯,所加压力为100Mpa。将获得的碳化硅陶瓷胚料置于烧结炉中真空烧结,以25℃/分钟的升温速率在1600℃保温1小时,随炉冷却至室温,最终获得一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷材料。对本实施例的原料、中间产物及最终产物进行XRD检测,结果如图1、图2所示。图1(a)表示氧化石墨原料的XRD峰,可知在10°附近存在一个尖锐的特征峰,对应于氧化石墨的(001)晶面。图1(b)表示水热还原的石墨烯/SiO2复合粉体的XRD峰,可知在10°附近氧化石墨的(001)晶面衍射峰完全消失,而在20°~30°范围有一个宽的馒头峰代表无定型二氧化硅和石墨烯的特征峰。证明水热还原反应实现了氧化石墨的还原和SiO2的形成。图2表示石墨烯增韧碳化硅产物的XRD峰,对应于β型-SiC衍射峰图谱。
Claims (5)
1.一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将石墨烯加入醇水溶液中搅拌均匀,超声分散0.5~5小时,配制浓度为0.5g/L~5g/L的石墨烯分散液;
(2)按照正硅酸乙酯和氧化石墨20:1~1:1的质量比,向氧化石墨溶液中加入正硅酸乙酯,再加入还原剂,持续磁力搅拌0.5~5小时,使其充分溶解、混合均匀,制得氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液;
(3)将上述氧化石墨/正硅酸乙酯混合溶液放置于不锈钢反应釜中,加热100~200℃,水热还原反应1~24小时,待反应结束后,将产物抽滤,用去离子水、无水乙醇反复洗涤,在50~100℃真空干燥12~72小时,获得改性剂石墨烯/SiO2复合粉体;
(4)将主料碳化硅颗粒、烧结助剂氧化铝粉体、改性剂石墨烯/SiO2复合粉体加入球磨机中球磨混合均匀,球磨时间5~50小时,取出干燥、粉粹后过筛,目数为200~2000目,然后采用机压成型方式粉末压坯,所加压力为20~200Mpa;
(5)将步骤4中碳化硅陶瓷胚料置于烧结炉中氩气保护或真空烧结,升温速率为1~50℃/分钟,烧结温度为1100~2100℃,保温时间为0.5~5小时,随炉冷却至室温,最终获得一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,醇水溶液为无水乙醇和去离子水混合溶液,其中无水乙醇和去离子水体积比为1:9~9:1。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于:所述还原剂为质量分数25%~28%的氨水溶液,以醇水溶液体积为标准1,则催化剂氨水溶液体积为1/12~1/8。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于:所述不锈钢反应釜中加入溶液的体积占反应釜容积的百分比为40%~80%。
5.根据权利要求1所述的石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于:所述主料碳化硅所占质量百分数为70~98wt%,烧结助剂氧化铝粉体所占质量百分数为1~10wt%,改性剂石墨烯/SiO2复合粉体所占质量百分数为1~20wt%。
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