[发明专利]一种石墨烯-氧化锆复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯‑氧化锆复合材料及其制备方法。该复合粉体以氧化锆造粒粉和氧化石墨烯为原料制备，氧化锆造粒粉占氧化锆造粒粉和氧化石墨烯总质量的99.5‑99.99wt.%，氧化石墨烯占氧化锆造粒粉和氧化石墨烯总质量的0.01‑0.5wt.%。该制备方法包括步骤：（1）原料分散混合；（2）混合粉体的烧结。本发明充分利用了氧化石墨烯在高温环境下被还原为石墨烯的特性，同时利用烧结环境的高压高真空氛围，在氧化锆基体中原位还原石墨烯，操作步骤简单，生产效率高，提高了氧化锆陶瓷的力学性能。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料领域，具体涉及石墨烯-氧化锆复合材料及其制备方法。

背景技术

氧化锆是一种重要的结构和功能材料，由于具有良好的机械性能、光学性能、电学性能和化学稳定性，氧化锆得到了广泛的运用。但与几乎所有陶瓷材料一样，其本征脆性大大制约了氧化锆陶瓷的进一步运用。为了提高氧化锆的韧性，一般通过往氧化锆晶格中掺杂稳定剂（Y₂O₃，MgO，CaO，CeO₂等），使四方相氧化锆（t-ZrO₂）向单斜相氧化锆（m-ZrO₂）转变的相变稳定从1170℃降至室温，利用t-ZrO₂向m-ZrO₂转变的相变过程中吸收能量，降低材料裂纹尖端的应力集中，阻碍裂纹扩展，从而使材料的韧性提高。

稀土稳定剂稳定氧化锆目前主要存在两大问题，一是中高温性能弱化。t-ZrO₂的相稳定性随温度升高而增高，相变增韧失败，使中高温环境下材料的强度和韧性下降。利用高强度、高模量的晶须、片晶、纤维及颗粒作为复合相可以解决此问题。二是抗热震性能差。氧化锆较大的热膨胀系数和较低的导热率使其在热震循环过程中产生较大的热应力等，使材料具有较低的抗热震性能。目前的解决办法主要采用高导热率、低热膨胀系数、高强度、高韧性的复合相降低热震过程中的热应力，以提高抗热震能力，如用晶须和颗粒。

石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维碳材料。石墨烯具有大的比表面积，良好的力学性能，高弹性模量、高电导和高热导。作为添加相加入到材料中时，石墨烯与基体材料的结合可以改善应力的传递效率，从而提高材料的力学性能。但是由于石墨烯具有疏水性和易团聚的特点，难以得到分散均匀的石墨烯，进而难以确保最终材料中石墨烯以单层或者少层形态均布。此外，作为增韧相的热还原石墨烯在还原和烧结过程中经历了两次热损伤，使其sp²碳网上产生相对较多的结构缺陷，弱化自身力学性能，增韧能力减弱。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种廉价的、可制得有单层或者少层石墨烯的石墨烯-氧化锆复合材料。

本发明另一目的在于提供所述石墨烯-氧化锆复合材料的制备方法。

本发明通过如下技术方案实现。

一种石墨烯-氧化锆复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）原料分散混合：将氧化锆造粒粉和氧化石墨烯混合均匀，得到氧化石墨烯分散均匀的混合粉体；

（2）混合粉体的烧结：将得到的混合粉体置于石墨模具中，采用放电等离子（SPS）烧结，使混合粉末烧结致密化，得到所述石墨烯-氧化锆复合材料。

进一步地，步骤（1）中，所述氧化锆造粒粉的质量占氧化锆造粒粉和氧化石墨烯总质量的99.5-99.99wt.%。

进一步地，步骤（1）中，所述氧化石墨烯的质量占氧化锆造粒粉和氧化石墨烯总质量的0.01-0.5wt.%。

进一步地，步骤（1）中，所述氧化石墨烯通过Hummers法制得。