[发明专利]一种氧化石墨烯包覆氮化硅复合粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯增韧补强陶瓷复合材料技术领域，尤其涉及一种氧化石墨烯包覆氮化硅复合粉体的制备方法。

背景技术

目前，石墨烯增韧补强陶瓷纳米复合材料已取得传统增强相材料无法达到的效果，参见CN106007680A。但是，石墨烯是一种二维蜂窝状碳质新材料，其独特的结构，使其片层之间具有强的吸引力。所以石墨烯在陶瓷基体中的分散问题是制备高性能陶瓷基复合材料的关键。传统的物理分散方法如机械法、超声分散法等不能从根本上消除片层之间的吸引力。化学分散法，过程又比较繁杂，同时还会引入一些杂质，不利于实验条件的控制。因此，要很好地发挥石墨烯增韧补强作用需要解决其分散问题。另一方面，对于陶瓷材料主要包括氧化物(Al₂O₃、ZrO₂等)和氮化物(Si₃N₄等)两类，其中应用较多的是Al₂O₃和Si₃N₄。而Si₃N₄颗粒表面能较大，也极易产生团聚，影响陶瓷材料的力学性能及综合性能。现有技术解决颗粒分散性问题的一种常见方法是对颗粒物进行表面改性。

氧化石墨烯表面带有羧基、羟基、环氧基等官能团，可用于包覆颗粒材料。制备氧化石墨烯包覆材料首先要对颗粒材料表面改性。目前，硅烷偶联剂对金属氧化物(TiO₂、SiO₂、Al₂O₃、ZnO、CeO₂等)表面改性研究的较多。由于金属氧化物水解表面含有大量—OH、—COOH等含氧基团，偶联剂分子中的活泼基团(如—Si—OR)水解后与这些含氧基团发生键合，形成强的化学键。关于硅烷偶联剂改性Si₃N₄、SiC、TiC等非氧化物的不规则片状粒子()的研究较少。由于Si₃N₄等颗粒表面能较大、易团聚，且表面缺少—OH、—COOH等含氧基团，所以改性前需首先对粒子进行含氧基团的表面接枝处理。现有的表面氧化常用的方法是浓硫酸、硝酸、酸性高锰酸钾溶液、次氯酸溶液做氧化剂，虽然高效但可控性低，对环境带来污染不易批量生产，而且设备要求高工艺过程更加复杂。目前，已报道的改性方法采用甲苯作为溶剂，氮气为保护气体，进行液相反应(参见CN105884377A)；这样效果虽然有改进，但是出现工业化生产存在成本、环保等问题。还有报道指出，以乙醇为溶剂，利用球磨工艺使用硅烷偶联剂接枝改性纳米颗粒粉体，这种方法工艺更加复杂且效率低。迄今为止，尚未见有氧化石墨烯包覆Si₃N₄颗粒的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于陶瓷材料的氧化石墨烯包覆氮化硅(Si₃N₄@GO)复合粉体的制备方法。该Si₃N₄@GO复合粉体分散性好，无团聚，便于应用时添加到陶瓷材料中，起到增韧补强的作用。

本发明通过H₂O₂水溶液高温氧化Si₃N₄表面、硅烷偶联剂表面改性Si₃N₄和氧化石墨烯(GO)包覆Si₃N₄的方法，利用氧化石墨烯表面带有羧基、羟基、环氧基等官能团，在水中电离带有负电荷，遇到表面被硅烷偶联剂接枝改性的带有正电荷的Si₃N₄粒子时，能够在静电力作用下进行自组装，较便捷地制得氧化石墨烯包覆氮化硅(Si₃N₄@GO)复合粉体。

术语说明：

氧化石墨烯：简写为GO；

氧化石墨烯包覆氮化硅：简写为Si₃N₄@GO；

H₂O₂水溶液：又称双氧水；

室温：具有本领域公知的含义，一般是指25±2℃。

本发明的技术方案如下：

一种氧化石墨烯包覆氮化硅(Si₃N₄@GO)复合粉体的制备方法，包括步骤：