一种石墨烯增强陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯增强陶瓷及其制备方法，先将水性钛酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯粉体，在磁场中进行超声处理得到石墨烯分散液；在外加磁场中对石墨烯分散液进行蒸馏或减压蒸馏得到石墨烯浓缩液，然后再进行干燥处理得到经水性钛酸酯修饰的石墨烯，将陶瓷粉、烧结助剂与水性钛酸酯修饰的石墨烯混合后投入无水乙醇中进行超声分散，结束后对分散液用球磨机球磨混合并进行干燥、成型、烧结制得石墨烯增强陶瓷。本发明专利技术的石墨烯增强陶瓷具有陶瓷半导体、导电、导热和电化学等功能特性，该陶瓷材料可用于发展传感器、电磁屏蔽、电加热器件、导热材料和储能电极等，用于航空航天、电子、化工和能源领域。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯增强陶瓷及其制备方法
本专利技术属石墨烯新材料
，涉及一种石墨烯增强陶瓷及其制备方法，特别是涉及将陶瓷粉、烧结助剂与水性钛酸酯修饰的石墨烯混合后投入无水乙醇中进行超声分散，结束后对分散液用球磨机球磨混合并进行干燥、成型、烧结制得石墨烯增强陶瓷的制备方法。
技术介绍
2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯行业仍在量产摸索阶段,主要的制备方法有微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法；其中氧化石墨还原法由于制备成本相对较低，是主要制备方法。通过这种方法制备的石墨烯的层数一般为6-10层，石墨烯的层数大，会引起石墨烯比较面积的变小，这一变化会使得石墨烯的各方面性能大幅下降，包括机械强度、导电性能、导热性能。现有技术也出现了制备少层或单层石墨烯的方法，但是相对应的，这些方法具有成本高、效率底的重大缺陷。少层或单层石墨烯的使用，不仅能大幅降低石墨烯的使用量，还能更好的发挥石墨独特的性能。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料，由于石墨烯特殊的结构，石墨烯被认为是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，导热系数高达5300W/m·K，是一种良好的导体。石墨烯可以与其他材料复合使用来弥补其他材料机械性能、导电导热性能的不足，但石墨烯具有很强的疏水性，这就使得石墨烯在其他材料中的相容性很差。为使石墨烯与其他材料有机结合，现有技术利用水性钛酸酯对石墨烯表面进行修饰处理，然后与水混合制成悬浮液。一方面是考虑水性钛酸酯与其他材料如高分子材料有良好的结合性能，另一方面也考虑了水性钛酸酯能改善石墨烯的团聚。但是，由于石墨烯的特殊性能，在采用水性钛酸酯对石墨烯进行表面修饰时，并不能均匀地将水性钛酸酯分配给欲予以表面修饰的石墨烯。石墨烯具有比表面积极大、堆积密度非常小的特性，水性钛酸酯的密度偏大，这就造成了在使用水性钛酸酯对石墨烯进行处理时石墨烯与水性钛酸酯的体积比极大。少量的水性钛酸酯加入到石墨烯中时能能被修饰到的石墨烯很少，而且还会造成石墨烯小范围的结团团聚。这样的方法来处理石墨烯，基本起不到石墨烯表面修饰的作用。陶瓷基复合材料具有低密度、高硬度、抗氧化、耐磨、耐腐蚀和优异的高温性能，作为轻质高温材料、耐磨抗腐蚀材料、催化剂载体等，在航空航天热防护、机械加工、化工、能源和环境等领域有着广泛的应用。但随着科学技术的不断进步，各个领域在使用陶瓷的同时，对陶瓷是使用要求也越来越高，普通陶瓷的性能已经满足不了某些领域的使用条件，特别是航空航天以及电子科技领域，不仅仅需要陶瓷的高硬度、抗氧化、耐高温以及耐腐蚀等性能，往往还需要陶瓷材料有一定的导热性和导电性，但是这些性能是普通陶瓷所不具备的。
技术实现思路
由于现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种石墨烯增强陶瓷及其制备方法，该专利技术先将水性钛酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯粉体，在磁场中进行超声处理得到石墨烯分散液；在外加磁场中对石墨烯分散液进行蒸馏或减压蒸馏得到石墨烯浓缩液，然后再进行干燥处理得到经水性钛酸酯修饰的石墨烯，将陶瓷粉、烧结助剂与水性钛酸酯修饰的石墨烯混合后投入无水乙醇中进行超声分散，结束后对分散液用球磨机球磨混合并进行干燥、成型、烧结制得石墨烯增强陶瓷。本专利技术的石墨烯增强陶瓷具有陶瓷半导体、导电、导热和电化学等功能特性，该陶瓷材料可用于发展传感器、电磁屏蔽、电加热器件、导热材料和储能电极等，用于航空航天、电子、化工和能源领域。为实现上述目的，本专利技术可通过以下技术方案予以实现：本专利技术的一种石墨烯增强陶瓷的制备方法，将陶瓷粉、烧结助剂与水性钛酸酯修饰的石墨烯混合后投入无水乙醇中进行超声分散，结束后对分散液用球磨机球磨混合并进行干燥、成型、烧结制得石墨烯增强陶瓷；所述水性钛酸酯修饰石墨烯的制备方法，包括先将水性钛酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯粉体，在磁场中进行超声处理得到石墨烯分散液；然后在外加磁场作用下，将石墨烯分散液进行蒸馏或减压蒸馏得到石墨烯浓缩液，然后再进行干燥处理得到经水性钛酸酯修饰的石墨烯。作为优选的技术方案：本专利技术所述的制备方法，所述陶瓷粉、烧结助剂、水性钛酸酯修饰的石墨烯与无水乙醇的质量比为75～98.5:1～15:0.5～10：400～800。石墨烯具有优异的机械强度以及导电、导热性能，与陶瓷复合后能明前提高陶瓷的机械性能和导电导热性能。本专利技术所述的制备方法，所述的陶瓷粉为氧化铝粉、氧化镁粉、二氧化硅粉、二氧化锆粉、三氧化二钇粉、氧化钙粉、氧化镧粉、氧化硼粉或氮化硼粉中的一种或者上述物质中至少两种的混合物。本专利技术所述的制备方法，所述的烧结助剂为氧化硼、碳酸锂、二氧化硅、氧化钙、氧化钡、氧化锌、二氧化钛、氧化锰或氧化锶中的一种或者两种以上的混合物。本专利技术所述的制备方法，所述无水乙醇溶液超声分散的时间为1～3小时，所述球磨速率为400～1000r/min，球磨时间1～10小时；所述干燥温度为60～100℃，干燥时间为6～20小时，在无水乙醇中对陶瓷粉以及石墨烯进行分散，有利于两者的均匀分布。本专利技术所述的制备方法，所述的成型压力为50～100MPa，包括干压成型、热压成型或热等静压成型。本专利技术所述的制备方法，所述的烧结是在管式炉中气氛保护下按照1～10℃/min的升温速率升至1000～1500℃，保温1～4小时再自然降至室温；所述气氛为氢气、氨气、氩气、氮气或氦气。本专利技术所述的制备方法，所述加入的石墨烯粉体的尺寸为：长和宽分别为1～200微米，厚度为6～10纳米；所述经水性钛酸酯修饰的石墨烯的尺寸为：长和宽分别为1～200微米，厚度为1～6纳米，石墨烯的颗粒度越小，相对应的比表面积就越大，石墨烯的厚度主要体现为石墨烯的片层数，单层石墨烯的厚度接近1纳米，片层数小的石墨烯更有利于发挥石墨烯优秀的机械性能和其他物理性能，并且在使用时还能减少石墨烯的使用量。本专利技术所述的方法，所述石墨烯分散液中石墨烯的质量分数为0.5～8％，水性钛酸酯的质量小于等于石墨烯质量的2％；所述的石墨烯浓缩液中石墨烯的质量分数为30～70％；所述经水性钛酸酯修饰的石墨烯的水份含量不高于0.5wt％，水性钛酸酯过少，不能对石墨烯表面充分修饰，过多会造成材料性能的下降。经过浓缩干燥工艺后，所述经水性钛酸酯修饰的石墨烯中，已基本不含水份，使得这种石墨烯在应用过程中避免了引入水份而造成的工艺复杂化；所述的水性钛酸酯是双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯，或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯和三乙醇胺的螯合物溶液，或双(二辛基焦磷酸酯)羟乙酸酯钛酸酯，或双(二辛基二乙醇)乙二胺钛酸酯，或二(辛烷基苯酚聚氧乙烯醚)磷酯，水性钛酸酯含有可水解的短链烷氧基能与石墨烯的双键发生化学反应从而使得钛酸酯能与石墨烯充分结合，起到表面修饰的作用；所述的溶解过程是通过机械搅拌的方式，转速为50～100转/分钟，搅拌时间为5～30分钟，温度为10～35℃，水性钛酸酯能与水互溶，通过低速搅拌加快钛酸酯溶解速度，大幅缩短溶解时间；所述的超声分散的超声波频率为20～30KHz，功率为1～5千瓦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯增强陶瓷的制备方法，其特征是，将陶瓷粉、烧结助剂与水性钛酸酯修饰的石墨烯混合后投入无水乙醇中进行超声分散，结束后对分散液用球磨机球磨混合并进行干燥、成型、烧结制得石墨烯增强陶瓷；所述水性钛酸酯修饰石墨烯的制备方法，包括先将水性钛酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯粉体，在磁场中进行超声处理得到石墨烯分散液；然后在外加磁场作用下，将石墨烯分散液进行蒸馏或减压蒸馏得到石墨烯浓缩液，然后再进行干燥处理得到经水性钛酸酯修饰的石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增强陶瓷的制备方法，其特征是，将陶瓷粉、烧结助剂与水性钛酸酯修饰的石墨烯混合后投入无水乙醇中进行超声分散，结束后对分散液用球磨机球磨混合并进行干燥、成型、烧结制得石墨烯增强陶瓷，所述陶瓷粉、烧结助剂、水性钛酸酯修饰的石墨烯与无水乙醇的质量比为75～98.5:1～15:0.5～10:400～800；所述的水性钛酸酯修饰的石墨烯的制备方法，包括先将水性钛酸酯溶解在水中，然后加入石墨烯粉体，在磁场中进行超声处理得到石墨烯分散液；然后在外加磁场作用下，将石墨烯分散液进行减压蒸馏得到石墨烯浓缩液，然后再进行干燥处理得到经水性钛酸酯修饰的石墨烯；所述的水性钛酸酯是双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯，或双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯和三乙醇胺的螯合物溶液，或双(二辛基焦磷酸酯)羟乙酸酯钛酸酯，或双(二辛基二乙醇)乙二胺钛酸酯，或二(辛烷基苯酚聚氧乙烯醚)磷酯；所述石墨烯分散液中石墨烯的质量分数为0.5～8％，水性钛酸酯的质量小于等于石墨烯质量的2％；所述的石墨烯浓缩液中石墨烯的质量分数为30～70％；所述超声处理的超声波频率为20～30KHz，功率为1～5千瓦，超声处理时间为30～90分钟，温度控制为10～60℃，所述超声处理对应的磁场强度为0.5～5T；所述外加磁场的磁场强度为2～6T。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强陶瓷的制备方法，其特征是，所述的陶瓷粉为氧化铝粉、氧化镁粉、二氧化硅粉、二氧化锆粉、三氧化二钇粉、氧化钙粉、氧化镧粉、氧化硼粉或氮化硼粉中的一种或者至少两种的混合物。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强陶瓷的制备方法，其特征是，所述的烧结助剂为氧化硼、碳酸锂、二氧化硅、氧化钙、氧化钡、氧化锌、二氧化钛、氧化锰或氧化锶中的一种或者两种以上的混合物。4.根据权利要求1所述的一种石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：石建华，陆炅，毛惠敏，
申请(专利权)人：浙江泰索科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33