石墨烯与氧化铝陶瓷基复合材料的性能研究

·　６４　·　陶瓷　Ｃｅｒａｍｉｃｓ．　（特种陶瓷）２０１８年０１月　石星烯与蠡化铝陶瓷基复合材料的吁生雒研奔　赵旭东　（陕西金泰氯碱化工有限公司　陕西榆林７１８１００）　

摘要　笔者通过多种方法制备石墨烯，并分别将不同方法制备的石墨烯与氧化铝混合得到新型复合陶瓷，进一步扩展　了石墨烯的研究和应用范围。通过研究不同烧结工艺对石墨烯ＡＩ　Ｏ。复合陶瓷材料摩擦磨损、硬度、致密度、物相组成和　微观组织的影响规律，在提高Ａ１　Ｏ　基陶瓷材料力学性能的同时，对氧化铝基陶瓷材料的制备工艺进行优化，减少了　Ａ１　Ｏ　基陶瓷材料烧结能耗、缩短了制备周期、从而降低了生产成本。其不同的补强作用机理，为进一步研究石墨烯氧化　铝复合陶瓷材料以及提高Ａｌ　０。基陶瓷材料的力学性能提供了一定的理论指导。同时我们还通过控制石墨烯的制备方　法，在不同烧结工艺条件下烧结制备石墨烯氧化铝复合陶瓷材料，并对其进行测试分析，对于促进Ａ１ｚＯ　ｓ基陶瓷材料的发　展同样具有重要的理论意义与实际应用价值。　关键词　石墨烯　陶瓷材料　烧结工艺　补强作用　力学性能　中图分类号：ＴＱ１７４．７５文献标识码：Ａ文章编号：１００２—２８７２（２０１８）０１—００６４—０８　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｇｒａｐｈｅｎｅ　ａｎｄ　Ａｌｕｍｉｎａ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　Ｚｈａｏ　Ｘｕｄｏｎｇ（Ｓｈａａｎｘｉ　Ｊｉｎｔａｉ　Ｃｈｌｏｒ—ａｌｋａｌｉ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏ．，Ｉ　ｔｄ，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｙｕｌｉｎ，７１８１００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ。ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ａｎｄ　ａｌｕｍｉｎａ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｄｉｆｆｅｒ—　ｅｎｔ　Ｆｎｅｔｈｏｄｓ　ｔＯ　ｏｂｔａｉｎ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｅｒａｍｉｃ，ｗｈｉｃｈ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ．　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ＡＩ２　０　３　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ，　ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｄｅｎｓｉｔｙ，ｐｈａｓｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＡＩ２　Ｏ　ａ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎａ　ｂａｓｅｄ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｒｅｄｕｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎ—　ｓｕｍｐｔｉｏｎ．ｔｈｅ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　Ｏｆ　Ａ１２　Ｏ３　ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ　ｔｈｅ　ｃｙｃｌｅ。ｔｈｕｓ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃＯｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｐ—　ａｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ａｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｓｏｍｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｇｕｉｄａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｅｎｅ　ａｌｕｍｉｎａ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｅｒａｍｉｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ａｌａ　Ｏ　３　ｂａｓｅｄ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｗｅ　ａｌｓｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｇｒａｐｈｅｎｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ａｌｕｍｉｎａ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｓｉｎｔｅｒｅｄ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔＯ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｌｅ　Ｏａ　ｂａｓｅｄ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇｒａｐｈｅｎｅ；Ｃｅｒａｍｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ；Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ；Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　

备法可适用于各类材料粉末的制备　～］ｏｊ；化学合成法　－ｇ－－ａ－　是由离子、原子、分子通过化学反应成核和成长得到粉　体颗粒，然后进行相应处理得到所需粒度的粉体。处　制备粉体是陶瓷材料加工的第一步　～　。粉体的　理之后的粉体颗粒均匀性好，纯度较高，并且可以实现　制备方法有很多种，主要分为物理制备法和化学合成　粉体在分子水平上的复苗＾、明，￣化ｎ．　Ｆ１１　。７。　法。物理制备法又包括：机械粉碎法、雾化法（熔融液　美国Ｍ。ｎｉｋｅｒ公司的科学家们曾在陶瓷基体中　体或高浓度溶液）、气化或蒸发一冷凝法等，其在制粉　参入石墨烯，陶瓷本是绝缘体，但因为加入了石墨烯便　讨程中一般只发牛物态变化不发生化学变化，物理制　成为良好的导电材料。另外Ｇｒａｐｈｅｎｅａ还发现，在加　

＊作者简介：赵旭东（１９８６～），专科，助理工程师；主要从事新型复合材料研究工作。　（特种陶瓷）２０１８年０１月　陶瓷　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　·　６５　·　入仅Ｏ．２２　的石墨烯后，陶瓷材料的抗拉强度和防止　裂纹增殖的性能便提高了５Ｏ　甚至还要多；而新制备　的复合陶瓷其他方面的性能与未添加石墨烯的陶瓷相　比，没有明显变化。　将微量石墨烯掺人氧化铝的最大优势在于保持陶　瓷其它性能不受影响的前提下，使导电性、抗拉强度、　机械性能得到大大改善　。而传统的改善材料的某　

一特定性能的手段在掺人另一种物相时，不可避免会　给原有材料的其它性能带来不利影响并导致其它性能　发生变化。　各项研究表明石墨烯在对改造氧化铝陶瓷性能方　面极具潜力，然而在研究过程中还存在诸多问题：在分　散过程中，石墨烯由于其自身结构特性，使得其分子间　存在很强的分子间作用力，各片层极难分散在溶液里，　与其他材料很难均匀地复合在一起Ｌｌ。叫　。石墨烯的　优异性能也就很难得到充分发挥，这就为石墨烯氧化　铝复合陶瓷的研究造成了很大困扰。另外石墨烯的高　温易氧化和遇钢水易溶解的特性，会使其复合材料随　之被侵蚀或失效。然而石墨烯易发生团聚不易大量制　备的缺陷也极大地阻碍了其应用和发展。　笔者主要采用行星球磨物理制备法，具体操作如　下：将一定量的石墨烯加入到溶剂中，超声震荡分散５　～８　ｈ，超声分散后称量一定量的氧化铝粉体与超声震　荡所得的石墨烯悬浮液混合，并将混合液移人聚四氟　乙烯球磨灌中进行球磨混料９～１２　ｈ。然后于６Ｏ℃烘　干研磨得到石墨烯氧化铝复合陶瓷粉体。　笔者将石墨烯与氧化铝混合制备出了一种性能优　良的新型陶瓷材料，石墨烯本身具有许多良好特性，将　它经过超声分散在Ａｌ　０。陶瓷粉体中然后压样烧结，　石墨烯的高模量和高强度等性能能使其成为陶瓷基复　合材料良好补强体。　

１　实验部分　１．１　主要原料　石墨烯，分析纯，南京大学；三氧化二铝，分析纯，　天津市化学试剂三厂；酒精，分析纯，莱阳经济技术开　发区精细工厂；ＫＭｎＯ　，分析纯，中国医药上海化学试　剂公司；Ｈ　Ｏ。，分析纯，天津市化学试剂三厂；浓硫酸，　

分析纯，天津市广成化学试剂有限公司；氯酸钾，分析　纯，中国医药上海化学试剂公司；浓硝酸，分析纯，中国　医药上海化学试剂公司；稀盐酸，分析纯，陕西金泰氯　碱化工有限公司。　１．２主要仪器　ＤＨＧ——９０３５Ａ电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒　科技有限公司；ＴＧ１６一ＷＳ高速离心机，上海安亭电　子仪器厂；ＪＢ一１５０Ｈ电磁搅拌器，上海安亭电子仪器　厂；ＱＭ——３ｓＰｏ４行星式球磨机，上海安亭电子仪器　厂；、ＤＨＧ——９０３５Ａ型电热恒温鼓风干燥箱，上海安　亭电子仪器厂；ＫＱ５２０ＯＢ超声波清洗器，昆山市超声　仪器有限公司；ＣＰ１１４电子天平，上海一恒科技有限公　司；Ｆｗ——４Ａ型压片机，北京普析通用仪器有限责　任公司；Ｄｘ～２５００型ｘ光衍射仪，丹东方圆仪器有限　公司；Ｎｉｃｏｌｅｔ６７００型傅里叶变换红外光谱仪，美国　Ｔｈｅｒｍｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ公司；ＩＮＶＩＡ　型ＲＥＮＩＳＨＡＷ激光拉曼光谱仪，雷尼绍（中国）公　司；ＨＶＳ一１０００型自动转塔显微硬度计，昆山市超声　仪器有限公司。　１．３制备氧化石墨烯　采用了３种不同方法制备氧化石墨烯，分别是：　Ｈｕｍｍｅｒｓ法、Ｓｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒ法和Ｂｒｏｄｉｅ法，然后对３　种方法所制得的氧化石墨烯进行测试、分析、对比，找　出最理想的一种作为氧化铝陶瓷基进行分析研究。　１）Ｈｕｍｍｅｒｓ法。取３　ｇ石墨放进８０℃浓Ｈ２ＳＯ４　（２０　ｍＬ）、Ｋ２Ｓｚ　Ｏ８（２．５　ｇ）和Ｐ２　Ｏｓ（２．５　ｇ）的混合溶液，　保温４．５　ｈ；将上述溶液降至室温，用Ｏ．５　Ｌ去离子水稀　释，隔夜放置；过滤（０．２２肚ｍ微孑Ｌ滤膜），然后用去离　子水洗过滤后的产物（除酸）；将上步的产物隔夜放置　烘干；第４步产物放进０。Ｃ的浓Ｈ　ＳＯ　（１２０　ｍＬ）；接　着将１５　ｇ的ＫＭｎＯ　慢慢加入上述溶液中，同时搅　拌，并且冰浴，保持温度在２Ｏ。Ｃ以下；然后在３５℃下　搅拌２　ｈ，然后用２５０　ｍＬ去离子水稀释（因为用水稀　释时会放出大量的热，在冰浴中可以保持温度在５Ｏ℃　以下）；将２５０　ｍＬ水加完以后，接着搅拌２　ｈ，加入０．５　Ｌ去离子水；然后加２０　ｍＬ　３０　的Ｈ。Ｏ　，这时溶液的　颜色将变成明亮的黄色，并且冒气泡；得到的溶液静置　一夜，之后将上清液倒掉，将上述溶液用１：１Ｏ的ＨＣ１　溶液（１　Ｌ）洗涤（除硫酸根离子），接着用去离子水（１　Ｌ）洗至中性（除酸）；在洗涤过程中加入清水，等上清