[发明专利]采用分步加料球磨与热压烧结制备石墨烯增强非金属基复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种采用分步加料球磨与热压烧结制备石墨烯增强非金属基复合材料的方法，包括a.先将石墨烯增强体放入球磨罐中后再加入非金属材料和磨球，然后分多次向球磨罐中加入助磨剂进行球磨直至原料混合呈均匀浆糊状，将球磨后的浆料干燥制得复合粉料；b.将复合粉料采用真空热压烧结处理，制得石墨烯增强非金属基复合材料。采用分步加料球磨的方式能够使石墨烯均匀分散于基体材料中且分散效率高、分散稳定性高、对石墨烯结构无破坏，解决石墨烯易团聚的问题。通过分步加料球磨和热压烧结结合能能有效降低烧结温度，减少能耗，获得的石墨烯增强非金属基复合材料具有最优异的力学性能，而且能够满足工业化制备的要求。

技术领域

本发明涉及石墨烯增强非金属基复合材料领域，具体涉及一种采用分步加料球磨与热压烧结制备石墨烯增强非金属基复合材料的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型二维碳纳米材料，是世界上最薄且最坚固的材料，它的强度和弹性模量分别达到125GPa和1100GPa。由于其较大的比表面积、高模量和高强度等优异的性能，石墨烯可以作为无机非金属材料、高分子材料的补强体。但是由于完美的石墨烯是由碳原子经sp2杂化成键形成的稳定二维平面结构，如此惰性的表面结构给单片石墨烯的稳定存在及其在其它溶剂中的分散带来难题，由此而限制了石墨烯及石墨烯基复合材料的研究开发与应用。而且石墨烯比表面积大且表面能高，过量的石墨烯不可避免地在材料中形成团簇，使石墨烯与陶瓷基体不能形成良好的接触界面，破坏石墨烯的微观组织结构，不仅降低了自身的吸附能力而且阻碍石墨烯自身优异性能的发挥，从而影响了石墨烯增强复合材料性能的改进，影响复合材料性能的提高。

氧化铝陶瓷材料拥有高硬度、高强度、耐高温、耐磨损与耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于结构陶瓷和耐磨元件。由于陶瓷材料固有的脆性，较差的断裂韧性限制了氧化铝陶瓷材料的工业应用。由于石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型二维碳纳米材料，是世界上最薄且最坚固的材料，它的强度和弹性模量分别达到125GPa和1100GPa。由于其较大的比表面积、高模量和高强度等优异的性能，石墨烯可以作为陶瓷材料良好的补强体，被广泛地应用于陶瓷基复合材料的强韧化中。但是在石墨烯增强氧化铝基复合材料制备中存在一些问题：一是石墨烯含量的影响：适量的石墨烯均匀地分布在基体材料中，能够减少陶瓷材料中的微观孔隙，从而增强材料的机械强度及韧性。而石墨烯比表面积大且表面能高，过量的石墨烯不可避免地在材料中形成团簇，使石墨烯与陶瓷基体不能形成良好的接触界面，破坏石墨烯的微观组织结构，影响复合材料性能的提高。二是制备工艺问题：传统的无压制备需要更高的烧结温度才能制备出高密度的氧化铝陶瓷，但是高温加速了氧化铝晶界的扩散，粗糙的微观结构会引发较高的材料孔隙率(孔隙率)；同时较高的烧结温度需要消耗更多的能源。三是关于烧结制度的影响。陶瓷的性能很大程度上受尺寸的影响，当烧结温度较低，离子扩散较慢，各元素在晶体中不能充分扩散，生长出的晶粒存在较多孔洞；当烧结温度较高，晶粒容易异常长大，组织不均，晶界间气孔不易排出，从而导致结合强度下降。因此烧结制度(烧结温度、烧结压力)对于材料微观结构与性能具有重要的影响。

综上所述，现有的石墨烯加料方式导致石墨烯容易团聚，使石墨烯与陶瓷基体不能形成良好的接触界面，破坏石墨烯的微观组织结构，影响复合材料性能的提高，现有的传统的无压制备需要更高的烧结温度才能制备出高密度的石墨烯增强非金属基复合材料，但是高温会引发较高的材料孔隙率，同时消耗更多的能源。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种采用分步加料球磨与热压烧结制备石墨烯增强非金属基复合材料的方法，能解决现有的加料方式导致的石墨烯容易团聚问题，以及高温烧结导致的材料孔隙率高和能源消耗高的问题。

本发明的采用分步加料球磨与热压烧结制备石墨烯增强非金属基复合材料的方法，包括以下步骤：a.先将石墨烯增强体放入球磨罐中后再加入非金属材料和磨球，然后分多次向球磨罐中加入助磨剂进行球磨直至原料混合呈均匀浆糊状，将球磨后的浆料干燥制得复合粉料；