[发明专利]一种石墨烯增韧碳化硅陶瓷复合材料的制备方法

说明书

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）将氧化石墨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的氧化石墨溶液；

（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；