一种基于石墨烯氧化铝的同轴线结构复相陶瓷制备方法

技术领域

本发明涉及复相陶瓷制备技术领域，具体涉及一种基于石墨烯氧化铝的同轴线结构复相陶瓷制备方法。

背景技术

氧化铝陶瓷是在材料领域应用广泛，与其他材料相比，有着优秀的特点：具有硬度高、无磁性、绝缘性好、高耐电压性、高温下稳定性好、耐腐蚀性等特点。

石墨烯具有优异的热导率、电导率和机械性能，对于氧化铝复合材料，由于石墨烯的分布更好，导电板之间的接触更好，在氧化铝基质中添加石墨烯时，电导率和碳纳米管的含量都得到很大提升，提高了复合材料的电导率水平，显示出石墨烯作为陶瓷复合材料填料的巨大优势。

因此，本发明公开了一种基于石墨烯氧化铝的同轴线结构复相陶瓷制备方法，以制备石墨烯氧化铝复相陶瓷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯氧化铝的同轴线结构复相陶瓷制备方法，以制备石墨烯氧化铝复相陶瓷。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于石墨烯氧化铝的同轴线结构复相陶瓷制备方法，包括如下步骤：

S1:取一个敞口烧瓶，在常温下，往烧瓶中添加适量的天然石墨和浓硫酸，然后将烧瓶放入适量温度的恒温水浴中，接着往烧瓶中缓慢加入高锰酸钾；

S2:将上述混合溶液放入适量温度的恒温水浴中进行加热，加热过程中用磁力搅拌机进行混合搅拌，搅拌一段时间后往混合液中加入适量的水，然后静置；

S3:往上述混合溶液中加入适量的双氧水，经过一段时间的反应，液体颜色变成亮黄色，静置一段时间后，倒掉上清液，得到沉淀物；

S4:对上述沉淀物用盐酸溶液进行抽滤，经过多次抽滤去除杂质后，往混合物中加入适量的水，然后放入透析袋中透析一周后，制得氧化石墨烯溶液；

S5:将上述氧化石墨烯溶液放入离心机中进行离心处理，一段时间后制得稳定的氧化石墨烯溶液；

S6:将上述氧化石墨烯溶液滴入氧化铝溶液中，经过一段时间的沉降后，可得氧化石墨烯/氧化铝复合粉体；

S7:将上述氧化石墨烯/氧化铝复合粉体放入模具中，然后在模具周围套上一层保温套，接着放入等离子烧结炉中进行烧结，烧结完成后降温到室温，得到石墨烯/氧化铝复相陶瓷。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S1中天然石墨的质量为2g，浓硫酸的浓度为94％，体积为30ml。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S1中恒温水浴的温度为0℃。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S2中恒温水浴的温度为40℃。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S2中磁力搅拌机的转速为150～250r/min，磁力搅拌的时间为10min。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S2中加入水的体积为200mL，静置的时间为1h。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S3中双氧水的体积为150mL，静置的时间为3h。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S4中盐酸的体积为500mL，水的体积为200mL。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S5中离心机的转速为3000～5000r/min，离心处理时间为30min。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，S7中离子烧结炉的烧结温度为1300℃，保温时间为100min。

在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

本发明提供了一种基于石墨烯氧化铝的同轴线结构复相陶瓷制备方法，采用此种方法操作简单，复相陶瓷的电导率和碳纳米管的含量都得到很大提升，石墨烯与氧化铝相结合制作陶瓷复合材料具有巨大优势。

对于不同GO含量的石墨烯/氧化铝复相陶瓷，发现随着石墨烯的增加，氧化铝的晶粒在变小，这主要是石墨烯抑制了晶粒生长，并且在氧化铝晶界处镶嵌的石墨烯会导致气孔率的上升，这些因素会导致复相陶瓷的致密度随着GO的添加而下降；在GO的添加量为1％时，跟纯氧化铝基体相比，复相陶瓷的断裂韧性也有一定的提高。

附图说明

图1为本发明制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的断面SEM图。

图2为本发明制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的断面XRD图。

图3为本发明制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的拉曼光谱。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供了一种基于石墨烯氧化铝的同轴线结构复相陶瓷制备方法，包括如下步骤：

S1:取一个敞口烧瓶，在常温下，往烧瓶中添加质量为2g的天然石墨和浓度为94％，体积为30ml的浓硫酸，然后将烧瓶放入温度为0℃的恒温水浴中，接着往烧瓶中缓慢加入高锰酸钾；

S2:将上述混合溶液放入温度为40℃的恒温水浴中进行加热，加热过程中用磁力搅拌机进行混合搅拌，磁力搅拌机的转速为150～250r/min，磁力搅拌的时间为10min，搅拌一段时间后往混合液中加入体积为200mL的水，然后静置1h；

S3:往上述混合溶液中加入体积为150mL的双氧水，经过一段时间的反应，液体颜色变成亮黄色，静置3h后，倒掉上清液，得到沉淀物；

S4:对上述沉淀物用体积为500mL的盐酸溶液进行抽滤，经过多次抽滤去除杂质后，往混合物中加入体积为200mL的水，然后放入透析袋中透析一周后，制得氧化石墨烯溶液；

S5:将上述氧化石墨烯溶液放入离心机中进行离心处理，离心机的转速为3000～5000r/min，离心处理时间为30min，一段时间后制得稳定的氧化石墨烯溶液；

S6:将上述氧化石墨烯溶液滴入氧化铝溶液中，经过一段时间的沉降后，可得氧化石墨烯/氧化铝复合粉体；

S7:将上述氧化石墨烯/氧化铝复合粉体放入模具中，然后在模具周围套上一层保温套，接着放入等离子烧结炉中进行烧结，离子烧结炉的烧结温度为1300℃，保温时间为100min，烧结完成后降温到室温，得到石墨烯/氧化铝复相陶瓷。

实施例1

取一个敞口烧瓶，在常温下，往烧瓶中添加质量为2g的天然石墨和浓度为94％，体积为30ml的浓硫酸，然后将烧瓶放入温度为0℃的恒温水浴中，接着往烧瓶中缓慢加入高锰酸钾；将混合溶液放入温度为40℃的恒温水浴中进行加热，加热过程中用磁力搅拌机进行混合搅拌，磁力搅拌机的转速为200r/min，磁力搅拌的时间为10min，搅拌一段时间后往混合液中加入体积为200mL的水，然后静置1h；往混合溶液中加入体积为150mL的双氧水，经过一段时间的反应，液体颜色变成亮黄色，静置3h后，倒掉上清液，得到沉淀物；对沉淀物用体积为500mL的盐酸溶液进行抽滤，经过多次抽滤去除杂质后，往混合物中加入体积为200mL的水，然后放入透析袋中透析一周后，制得氧化石墨烯溶液；将氧化石墨烯溶液放入离心机中进行离心处理，离心机的转速为4000r/min，离心处理时间为30min，一段时间后制得稳定的氧化石墨烯溶液；

将氧化石墨烯溶液一滴滴的滴入氧化铝溶液中，经过一段时间的沉降后，可得氧化石墨烯/氧化铝复合粉体；将氧化石墨烯/氧化铝复合粉体放入模具中，然后在模具周围套上一层保温套，接着放入等离子烧结炉中进行烧结，离子烧结炉的烧结温度为1300℃，保温时间为100min，烧结完成后降温到室温，得到石墨烯/氧化铝复相陶瓷。

实施例2

取一个敞口烧瓶，在常温下，往烧瓶中添加质量为2g的天然石墨和浓度为94％，体积为30ml的浓硫酸，然后将烧瓶放入温度为0℃的恒温水浴中，接着往烧瓶中缓慢加入高锰酸钾；将混合溶液放入温度为40℃的恒温水浴中进行加热，加热过程中用磁力搅拌机进行混合搅拌，磁力搅拌机的转速为200r/min，磁力搅拌的时间为10min，搅拌一段时间后往混合液中加入体积为200mL的水，然后静置1h；往混合溶液中加入体积为150mL的双氧水，经过一段时间的反应，液体颜色变成亮黄色，静置3h后，倒掉上清液，得到沉淀物；对沉淀物用体积为500mL的盐酸溶液进行抽滤，经过多次抽滤去除杂质后，往混合物中加入体积为200mL的水，然后放入透析袋中透析一周后，制得氧化石墨烯溶液；将氧化石墨烯溶液放入离心机中进行离心处理，离心机的转速为4000r/min，离心处理时间为30min，一段时间后制得稳定的氧化石墨烯溶液；

将氧化铝溶液一滴滴的滴入氧化石墨烯溶液中，经过一段时间的沉降后，可得氧化石墨烯/氧化铝复合粉体；将氧化石墨烯/氧化铝复合粉体放入模具中，然后在模具周围套上一层保温套，接着放入等离子烧结炉中进行烧结，离子烧结炉的烧结温度为1300℃，保温时间为100min，烧结完成后降温到室温，得到石墨烯/氧化铝复相陶瓷。

由于：将氧化石墨烯溶液一滴一滴地加入到氧化铝溶液中，采取这种滴加方法制得的复合粉体中GO的含量低，将氧化铝溶液一滴一滴地添加到氧化石墨烯溶液中，采取这种滴加方法制得的复合粉体中GO的含量高。

比较实施例1和实施例2制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的致密度可以看出：复相陶瓷致密度随着石墨烯含量的增加而明显的降低。

图1为实施例1和实施例2制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的断面SEM图。

比较实施例1和实施例2制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的的断面SEM图可以看出：薄片结构的石墨烯镶嵌在氧化铝晶粒间，随着石墨烯含量的增加，薄片结构会也来越多，氧化铝晶粒的尺寸也是呈现下降的趋势，这说明了石墨烯抑制氧化铝晶粒的长大，并且在氧化铝晶界中的第二相石墨烯片使得气孔率上升，并且当石墨烯含量过高时，不可避免的会发生团聚的缺陷，这些因素从而导致致密度下降。

图2为实施例1和实施例2制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的XRD图。

比较实施例1和实施例2制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的的XRD图可以看出：氧化铝的峰强很尖锐，说明了复相陶瓷的结晶度很高，也说明了在烧结制备过程中没有改变氧化铝的晶相。在有石墨烯的复相陶瓷的XRD峰上可以看到在10°左右是有一个不明显的衍射峰的，对应的是石墨的晶面，表明了在烧结时石墨烯的加入没有改变氧化铝的晶相。

图3为实施例1和实施例2制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的的拉曼光谱。

比较实施例1和实施例2制得的石墨烯/氧化铝复相陶瓷的的拉曼光谱可以看出：图中出现了两个特征峰，这两个特征峰是由于碳原子的振动产生的，这两个特征峰的比值来表征复合陶瓷中碳的无序程度，从而来判断石墨烯的质量好坏。特征峰越强，表明了材料中含有较多的缺陷，在进行离子烧结炉的烧结时，氧化石墨烯中的含氧官能团的消失会导致石墨的晶体结构遭到破坏。离子烧结炉是一种快速烧结的烧结方法，升温速度快，烧结时间短，因此可以最大程度上避免长时间高温烧结对石墨烯所造成的结构损坏，但不可避免的是制备出来的复相陶瓷的中石墨的缺陷仍然很多，对复相陶瓷的电学性能会产生影响。

综上所述，本发明提供了一种基于石墨烯氧化铝的同轴线结构复相陶瓷制备方法，采用此种方法操作简单，复相陶瓷的电导率和碳纳米管的含量都得到很大提升，石墨烯与氧化铝相结合制作陶瓷复合材料具有巨大优势。

对于不同GO含量的石墨烯/氧化铝复相陶瓷，发现随着石墨烯的增加，氧化铝的晶粒在变小，这主要是石墨烯抑制了晶粒生长，并且在氧化铝晶界处镶嵌的石墨烯会导致气孔率的上升，这些因素会导致复相陶瓷的致密度随着GO的添加而下降；在GO的添加量为1％时，跟纯氧化铝基体相比，复相陶瓷的断裂韧性也有一定的提高。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。