[发明专利]一种高体积分数石墨烯增强碳化硅基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高体积分数石墨烯增强碳化硅基复合材料及其制备方法，所述石墨烯增强碳化硅基复合材料包括：三维多孔石墨烯、以及原位生长于三维多孔石墨烯中的碳化硅，所述三维多孔石墨烯的含量所述三维多孔石墨烯的含量≤50vol%，优选为10～50vol%。

技术领域

本发明涉及一种高体积分数石墨烯增强碳化硅基复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

石墨烯是一种厚度为纳米级的二维材料，是目前世界上发现的最薄却最坚硬的材料。特殊的原子结构赋予了石墨烯高导电、导热，高模量、高强度等优异性能，因此被广泛应用于诸多领域。随着对石墨烯研究的深入，石墨烯在陶瓷基复合材料领域的研究也受到了越来越多的关注。石墨烯原子间作用力强，结构稳定，其中碳原子即使在受到外来缺陷和原子干扰的情况下也不易发生散射，可以显著提高陶瓷基复合材料的导电性。石墨烯中极高的声子平均自由程决定其具有极高的热导率，加入陶瓷基复合材料中可以极大改善复合材料的导热性。此外，石墨烯在陶瓷材料中因自身增强增韧、拔出效应以及导致裂纹偏转等增韧机理，也赋予石墨烯/陶瓷基复合材料优异的力学性能。

SiC是一种性能优异的陶瓷材料，抗弯强度高，抗氧化性、耐腐蚀性优良，将其与石墨烯复合有望获得兼具高导电、导热以及高强度的多功能复合材料。但是目前石墨烯/SiC复合材料存在石墨烯分布不均、含量低等问题，限制了石墨烯在SiC基复合材料中的应用。

目前，有关3D打印石墨烯/SiC复合材料的报道也极少，仅有Benito在文献“Electrically functional 3D～architectured graphene/SiC composites”中报道利用石墨烯和SiC直接混合打印出石墨烯/SiC复合材料，但所得石墨烯/SiC复合材料电导率低、压缩强度小等问题。因此，研究如何实现高体积分数、均匀分散的石墨烯在碳化硅基复合材料中的应用具有重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种一种石墨烯增强碳化硅基复合材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种石墨烯增强碳化硅基复合材料，包括：三维多孔石墨烯、以及原位生长于三维多孔石墨烯中的碳化硅，所述三维多孔石墨烯的含量≤50vol％，优选为10～50vol％。

本发明中，石墨烯增强碳化硅基复合材料包括：三维多孔石墨烯、以及原位生长于三维多孔石墨烯中的碳化硅。其中，原位生长的SiC与石墨烯结合更加紧密，提高了其导电率和力学强度。

较佳地，所述石墨烯增强碳化硅基复合材料的压缩强度为50～500MPa，电导率＞1000S/m；优选地，所述石墨烯增强碳化硅基复合材料的压缩强度为120～160MPa，电导率＞2000S/m。

再一方面，本发明还提供了一种如上所述的石墨烯增强碳化硅基复合材料的制备方法，以甲基三氯硅烷、甲基二氯硅烷中的至少一种作为前驱体，以H₂作为载气，利用化学气相渗透工艺对三维多孔石墨烯进行致密化处理，得到所述石墨烯增强碳化硅基复合材料。

本发明结合CVI工艺可以获得分散均匀的石墨烯/SiC复合材料，而且原位生长的SiC与石墨烯结合更加紧密，且提高了三维石墨烯在碳化硅基材料中的体积分数，从而实现了其导电率和力学强度的增强。

较佳地，所述化学气相渗透工艺的参数包括：反应温度900～1100℃；反应时间100～200小时；压力1～10kPa；载气流量100～400mL/分钟。其中，前驱体的流量由载气流量控制。