[发明专利]一种石墨烯强韧化的复相陶瓷材料的制备方法

说明书

本发明提供一种氧化铝‑碳化钨钛‑石墨烯纳米片多相复相陶瓷材料的制备方法，本方法通过向Al₂O₃和(W,Ti)C中加入一定含量的高质量薄层石墨烯，以MgO和Y₂O₃粉末作为烧结助剂，经过超声分散、高能球磨和热压烧结制备了石墨烯强韧化的Al₂O₃基复相陶瓷材料。石墨烯纳米片在有效抑制Al₂O₃和(W,Ti)C颗粒增长的同时，引入了多种增韧机理，起到了细化晶粒，提高复合材料致密性的作用，进而显著提高了陶瓷复合材料的抗弯强度、硬度、断裂韧性和耐磨性。石墨烯为陶瓷刀具材料的强韧化提供了一种新的途径。步骤简单、操作方便、实用性强。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种石墨烯强韧化的复相陶瓷材料的制备方法。

背景技术

刀具材料在高速切削加工和先进制造技术中扮演着不可或缺的角色，而陶瓷刀具材料由于其高的硬度、耐磨性、耐高温性能、与工件材料较低的亲和性，被广泛应用到难加工材料的高速切削中。但是其固有的脆性限制了其进一步广泛应用。为了提高陶瓷复合材料的断裂韧性，国内外开展了很多研究。研究表明晶须可以提高陶瓷材料的断裂韧性(Becher,P.F.,et al.,Toughening Behavior in Whisker‐Reinforced Ceramic MatrixComposites.Journal of the American Ceramic Society,1988.71(12):p.1050-1061)。此外，碳纳米管对陶瓷复合材料具有一定的增韧作用(范锦鹏,赵大庆.多壁碳纳米管-氧化铝复合材料的制备及增韧机理研究[J].纳米技术与精密工程,2004,2(3):182-186)。但是由于是一维强韧化相，对陶瓷增韧补强的效果并不突出。石墨烯具有特殊的二维结构、超大的比表面积、超高的力学性能和热学性能，为复合陶瓷材料的强韧化提供了一种新的途径(Rao,C.E.N.E.,et al.,Graphene:the new two‐dimensional nanomaterial.AngewandteChemie International Edition,2009.48(42):p.7752-7777)。但是结构完整的石墨烯几乎不具有溶解性，并且由于强烈的π-π相互作用，石墨烯层间具有很强的结合趋势，因此在水和有机溶剂等分散介质中容易聚集并沉淀，不利于复合材料的制备。

中国专利CN101279840公开了一种氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的制备方法。在亚微米级α-Al₂O₃基体中加入纳米级α-Al₂O₃和微米级(W，Ti)C粉末，以MgO和NiO为抑制剂和助烧剂，通过高纯N₂气氛保护，均匀加压的热压烧结工艺，制备出Al₂O₃基的纳米复合陶瓷材料。

中国专利CN106007762A公开了一种具有各向异性的石墨烯增韧A1₂O₃纳米复合陶瓷刀具材料及其制备方法。该陶瓷刀具材料是以A1₂O₃为基体，石墨烯纳米片为增强相，MgO、Mo和Ni为烧结助剂。该陶瓷刀具材料经石墨烯分散、复合粉体制备、干燥过筛、冷压装模和热压烧结而成。

但现有技术中尚无采用石墨烯纳米片增强氧化铝-碳化钨钛纳米复合陶瓷材料的研究。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种石墨烯强韧化的复相陶瓷材料的制备方法。陶瓷复合材料是在原有的氧化铝-碳化钨钛的基础上加入高质量的薄层石墨烯，制备了石墨烯强韧化的复相陶瓷材料。其力学性能、耐磨性和导热性能有了显著提升，尤其是断裂韧性和抗弯强度分别提高35.3％和49％。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：