[发明专利]一种仿生高强韧三维石墨烯基硅酸盐复合材料

说明书

本发明公开了一种仿生高强韧三维石墨烯基硅酸盐复合材料，属于硅酸盐材料技术领域。材料包括硅酸盐材料、减水剂、稠度调节剂和氧化石墨烯GO溶液；制备步骤包括：步骤一：原材料准备；步骤二：制备多孔骨架模板并配制浆料；步骤三：三维石墨烯基硅酸盐复合材料制备；本发明通过预制模板压缩法和多尺度组装矿化融合微界面层叠交错微结构增韧机制，实现了层压结构的精确构筑和强韧化性能调控。制备得到了类珍珠母贝生物仿生结构以及高强度和高韧性的新型硅酸盐陶瓷材料，解决了硅酸盐材料强度与韧性互斥的瓶颈问题，为实现硅酸盐基陶瓷复合材料的强韧化制备提供了新的策略和方法。

技术领域

本发明属于硅酸盐材料技术领域，具体涉及一种仿生高强韧三维石墨烯基硅酸盐复合材料。

背景技术

以硅酸盐为主的现代陶瓷材料具有独特的力、电、光、磁、热等优异性能，在航空航天、军事工业、汽车等高科技领域中具有巨大的应用价值和前景，但是硅酸盐材料韧性差一直是严重制约其应用发展的关键问题。

目前最常用的增韧方法主要分为相变增韧、纳米细晶增韧、显微结构增韧、纤维增韧和第二相颗粒增韧等，通过多种维度的填充效应、桥接机制和成核作用对硅酸盐材料进行微观结构、结晶性、微裂纹缺陷等改性，旨在降低陶瓷材料在断裂过程中的裂纹缺陷尺度，实现强度和韧性等力学性能一定范围的提升，也证明了微观结构调控无疑是提高脆性陶瓷材料强韧化改性的有效途径之一。但是上述方法难以实现广域范围微结构有序化调控，无法从根本上改变硅酸盐材料裂纹的发育和扩展机制。

因此，不断改善和发明新的增韧策略，解决当前硅酸盐材料存在的结构无序和质脆易碎的关键科学问题，成为硅酸盐陶瓷材料的核心问题。

发明内容

本发明提供了一种仿生高强韧三维石墨烯基硅酸盐复合材料，目的在于解决当前硅酸盐材料存在的结构无序和质脆易碎的问题。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种仿生高强韧三维石墨烯基硅酸盐复合材料，制备方法包括以下步骤：

步骤一：原材料准备

硅酸盐材料的主要成分是硅酸三钙，将硅酸盐材料制备成粒径分布在100nm到 10μm范围占比超过90%的超细粉末原料，并添加外加剂；

基于Hummers法改性制备氧化石墨烯GO溶液，控制浓度5～10mg/ml。

步骤二：制备多孔骨架模板并配制浆料

多孔骨架模板：采用步骤一制备的GO溶液在水热条件下原位组装，经冷冻铸造、真空冻干后得到质量轻且内部多孔的三维石墨烯3DGA多孔骨架模板；

微纳米硅酸盐浆料：用步骤一制备的超细粉末原料与外加剂按比例混合，浆料通过高速剪切搅拌机以300～1000r/min的转速搅拌均匀，再经功率为400～600w的超声处理20s。

步骤三：三维石墨烯基硅酸盐复合材料制备

在常温常压下将步骤二制备的微纳米硅酸盐浆料通过自延流自扩展的方式渗入到3DGA多孔骨架模板中；使得硅酸盐固体颗粒原位附着到二维石墨烯片层的表面，此过程在完全无外力加压状态下进行；

再将3DGA多孔骨架模板置于充满微纳米硅酸盐浆体的模具中，并将模具置于抽真空设备中缓慢增加负压使微纳米硅酸盐浆料二次渗入3DGA多孔骨架模板中，直至0.15～0.25个大气压下3DGA多孔骨架模板无气泡溢出，恢复至常压状态；

将3DGA多孔骨架模板取出置于矩形模具中，在顶面和底面施加竖直的压力，将3DGA多孔骨架模板压缩变形，挤出液体或浆料排出，控制下压率为60%-95%。这个过程3DGA多孔骨架模板会逐渐压缩至准层叠结构，硅酸盐固体颗粒的堆叠密度也会逐渐增大，硅酸盐和石墨烯两相材料形成层叠有序相互交错的微单位结构。

步骤四：硬化养护

对压缩成型的3DGA多孔骨架模板进行恒温养护，养护完即完成制作。