[發明專利]一種利用溶膠凝膠法制備的石墨烯陶瓷復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410306872.0
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN104045346A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發明（設計）人: 朱彥武;袁林
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C04B35/52
• 分類號: C04B35/52;C04B35/14;C04B35/10;C04B35/622
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明涉及一種石墨烯陶瓷復合材料及其制備方法，更具體的說是涉及一種以溶膠凝膠法制備的石墨烯陶瓷復合材料，屬于屬于復合材料制備領域。

背景技術

石墨烯，英文名Graphene，是碳原子按照六角排列而成的二維晶格結構。作為單層碳原子平面材料，石墨烯可以通過剝離石墨材料而得到。這種石墨晶體薄膜自2004年被曼徹斯特大學的科學家發現之后，石墨烯就成為科學界和工業界關注的焦點。石墨烯的厚度只有0.335納米，不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知所有的導體和半導體都快(石墨烯中電子的遷移速度達到了光速的1/300)。由于石墨烯的特殊原子結構，其中載流子(電子和空穴)的行為必須用相對論量子力學(relativistic?quantum?mechanics)才能描繪。同時，作為單層碳原子結構，石墨烯的理論比表面積高達2630m²/g。如此高的比表面積，結合其較低的密度和超高的力學強度使得以基于石墨烯的復合材料成為極有前途的超輕、超強和導電等各種性能兼具的未來新型功能材料。

石墨烯作為摻雜物，與陶瓷材料結合制得的復合材料較之單一的母體材料，力學、熱學性能往往有一定提升和差異。但目前石墨烯與陶瓷材料機械共混制成復合材料的過程中存在石墨烯團聚現象，分散性差。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種利用溶膠凝膠法制備的石墨烯陶瓷復合材料及其制備方法，利用在溶膠凝膠過程中氧化石墨烯與陶瓷前驅體的原位反應，以克服現有石墨烯陶瓷復合材料中石墨烯易團聚、分散性差的問題。

本發明解決技術問題，采用如下技術方案：

本發明利用溶膠凝膠法制備的石墨烯陶瓷復合材料，其特點在于：以陶瓷前驅體和氧化石墨烯為原料，經溶膠凝膠過程，氧化石墨烯與陶瓷前驅體發生原位反應，氧化石墨烯還原為石墨烯，陶瓷前驅體成為陶瓷材料，獲得由陶瓷材料及嵌插在陶瓷材料中的片狀石墨烯構成的石墨烯陶瓷復合材料。

本發明利用溶膠凝膠法制備的石墨烯陶瓷復合材料，其特點也在于：所述陶瓷前驅體為硅酸四乙酯、仲丁醇鋁、鋯酸四異丙酯或異丙醇鈦；或乙酸鉛、鈦酸四異丙酯和鋯酸四異丙酯的混合物；或乙酸鑭、乙酸鍶和乙酸鈷的混合物；

當陶瓷前驅體選用硅酸四乙酯時，獲得的陶瓷材料為二氧化硅；當陶瓷前驅體選用仲丁醇鋁時，獲得的陶瓷材料為氧化鋁；當陶瓷前驅體選用鋯酸四異丙酯時，獲得的陶瓷材料為氧化鋯；當陶瓷前驅體選用異丙醇鈦時，獲得的陶瓷材料為二氧化鈦；當陶瓷前驅體選用乙酸鉛、鈦酸四異丙酯和鋯酸四異丙酯的混合物時，獲得的陶瓷材料為PbZr_1-xTi_xO₃；當陶瓷前驅體選用乙酸鑭、乙酸鍶和乙酸鈷的混合物時，獲得的陶瓷材料為La_1-xSr_xCoO_3-δ。

利用溶膠凝膠法，通過陶瓷前驅體制備陶瓷材料已有很多相關報道，上述各陶瓷前驅體的選擇，及以混合物作為陶瓷前驅體時，其各原料的配比屬于常規知識，本發明是在此基礎上加入適量氧化石墨烯，已實現了石墨烯陶瓷復合材料的制備。

本發明中氧化石墨烯質量與所述陶瓷前驅體的體積比選為0.006g-3g:20mL，優選為0.15～0.3g:20mL。可以根據需要調整比例，以調整所獲得的石墨烯陶瓷復合材料中石墨烯所占的比例。

本發明石墨烯陶瓷復合材料的制備方法，其特點在于按如下步驟進行：

a、將0.006g-3g氧化石墨烯溶解于20mL蒸餾水中，超聲分散，獲得氧化石墨烯懸浮液；

b、將20mL陶瓷前驅體與10mL無水乙醇加入到步驟a所獲得的氧化石墨烯懸浮液中，室溫攪拌2h，然后加入40mL蒸餾水，獲得待反應溶液；

c、在溫度為10℃的冷水浴中，邊攪拌邊向步驟b所得的待反應溶液中加入酸溶液或堿溶液，調節pH，然后繼續在冷水浴中攪拌1h，最后加入30mL無水乙醇繼續攪拌10min；d、撤去冷水浴，再在50℃下加熱攪拌步驟c所得溶液3～7天，獲得黑色膠狀物；

e、在110℃條件下烘所述黑色膠狀物1h，使氧化石墨烯還原為石墨烯，獲得石墨烯陶瓷塊體；

f、將所述石墨烯陶瓷塊體研磨成粉末，然后經洗滌、干燥即得石墨烯陶瓷復合材料。

步驟f所述洗滌是以無水乙醇進行洗滌；所述干燥是在110℃下干燥1h。