[发明专利]一种石墨烯/碳化硅纳米复合结构单片陶瓷及其制备方法

说明书

一种石墨烯/碳化硅纳米复合结构单片陶瓷及其制备方法，涉及陶瓷材料制备。1)先驱体PCS(GO_x)的合成；2)石墨烯/碳化硅纳米复合结构单片陶瓷SiC(rGO_x)的制备。以GO、VTES、PCS为原料，通过化学改性的方法制备先驱体PCS(GO_x)粉末，经模压成型、高温热解步骤，即得致密的石墨烯/碳化硅纳米复合结构单片陶瓷SiC(rGO_x)。其中VTES因具有–Si–O–键和–CH＝CH₂基团，可将GO和PCS复合生成新的GO–VTES–PCS大分子结构。GO复合到碳化硅陶瓷中可显著扩大先驱体交联面积、抑制SiC纳米晶体形成、降低烧结温度，解决先驱体法制备碳化硅单片陶瓷成型困难、致密性差问题。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料制备，尤其是涉及一种石墨烯/碳化硅纳米复合结构单片陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷不仅在常温下具有耐腐蚀、耐磨损、硬度高、化学稳定性好、热膨胀系数低等优点，在高温下也表现出优良的力学性能，被广泛运用到电子、机械、核能等领域，目前可以通过反应烧结、热压烧结和常压烧结等方法制得。专利ZL 200910020810.2公开一种碳化硅基增强复合陶瓷的制备方法，经过模压成型并于1450～1550℃进行渗硅烧结后得到具有良好强韧度的陶瓷材料。专利ZL 200910098377.4公开一种常压烧结碳化陶瓷的制备方法，以石墨粉和碳化硼粉作为烧结助剂，经过分段球磨、喷雾造粒、模压成型、分段干燥等步骤后在2150～2200℃氩气气氛保护下进行烧结，制备出了纯度较高的耐腐蚀碳化硅陶瓷。专利ZL 201410116797.1公开一种浇注成型制备大型自结合碳化硅制品的方法，采用振动浇注成型技术，在1300～1500℃惰性气氛保护下烧成，可应用于钢铁、有色金属等行业。但是，由于碳化硅的强共价键不利于其致密化，传统制备方法需要在碳化硅陶瓷的烧结过程中添加烧结助剂或提供较高的温度，导致陶瓷基体中残留有烧结助剂引入的杂质相，影响其力学性能，且存在生产成本较高等问题。

先驱体法制备的碳化硅陶瓷由于具有优异的机械强度、耐腐蚀性能、抗热冲击性能、热稳定性和化学稳定性等受到了多方关注。相较于传统的碳化硅陶瓷制备技术，先驱体法在设计和成型方面灵活度高、对烧结温度的要求低且不需要添加烧结助剂，具有很大优势。通过先驱体法可制备高纯度的轻质碳化硅陶瓷(非晶、晶态或纳米复合材料)，在制备具有复杂形状、结构的陶瓷器件方面具有潜在应用价值。专利ZL 201010280856.0公开一种利用聚碳硅烷(PCS)先驱体制备连续长碳化硅纤维的方法。专利ZL 200510031775.6公开一种以三氯甲基硅烷为先驱体，采用化学气相沉积法制备致密碳化硅陶瓷涂层的技术，适用于光学反射镜反射层的制备。专利US 6635215 B2公开一种通过聚碳硅烷和聚乙烯基硅烷混合先驱体浸渍碳化硅纤维后，烧结制备碳纤维增强碳化硅复合材料的方法，所得产品纯度较高、耐热性能优异。专利ZL 201010152549.4公开一种先驱体法制备多孔碳化硅材料的技术，以硅–树脂核壳结构粉体为先驱体，经压力成型、炭化处理及烧结处理后，制备出一种高抗热震性多孔碳化硅陶瓷。虽然先驱体法制备的碳化硅在低维度形式(纤维、薄膜、涂层等)表现出良好的性能，但碳化硅单片陶瓷、块体陶瓷、陶瓷基复合材料等三维陶瓷材料的制备技术还存在一些问题，例如生产成本较高，产品中存在大量SiC纳米晶体析出相等，其中制备大面积碳化硅单片陶瓷难以成型的问题尤为突出。在先驱体的热解过程中，大量气态物质缓释，会导致单片陶瓷和块体陶瓷出现裂缝、气孔等缺陷，严重影响产品的致密度，因而限制了先驱体法制备碳化硅陶瓷在工业上的应用。为了提高先驱体陶瓷的成型能力，制备性能优异的碳化硅单片陶瓷并应用于工业生产，高分子量固态先驱体的交联成为碳化硅陶瓷制备的关键工艺。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供具有高硬度、低密度、低线性收缩率的一种石墨烯/碳化硅纳米复合结构单片陶瓷。

本发明的另一目的在于提供简单经济、能应用于工业生产的一种石墨烯/碳化硅纳米复合结构单片陶瓷的制备方法。