[發明專利]一種大尺寸、高強度石墨烯納米片/碳化硅復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810287961.3
• 申請日: 2018-04-03
• 公開（公告）號: CN108585875B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 黃毅華;江東亮;黃政仁;劉學建;陳忠明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/575
• 分類號: C04B35/575;C04B35/577
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明提供一種大尺寸、高強度石墨烯納米片/碳化硅復合材料及其制備方法，所述制備方法包括：以碳化硅、碳化硼、石墨烯納米片和碳黑為原料，按照石墨烯納米片/碳化硅復合材料的原料組分稱量并混合，得到原料粉體，所述原料組分包括：81～98wt%碳化硅、0.5～6wt%碳黑、0.5～3wt%碳化硼和1～10wt%石墨烯納米片，各組分含量和為100wt%；將所得原料粉體置于模具中進行熱壓燒結，得到所述石墨烯納米片/碳化硅復合材料，所述熱壓燒結的燒結溫度為1900～2200℃，燒結壓力為20～80MPa。

技術領域

本發明涉及一種大尺寸、高強度石墨烯納米片/碳化硅復合材料及其制備方法，屬于陶瓷材料技術領域。

背景技術

石墨烯是已知強度最高的物質，達到了130Gpa，是鋼的100多倍；導熱系數高達5300W/(m·K)，高于碳納米管和金剛石；電子遷移率可達到200000cm²/(V·s)，比納米碳管或硅晶體還高。

碳化硅(SiC)是傳統的結構-功能陶瓷，其原子半徑小、禁帶寬、鍵長短、共價鍵性強，因而具有優良的力學、熱學、電學、耐化學腐蝕、耐輻照、抗放射、吸波等特性，被廣泛應用于防彈裝甲、精密軸承、熱交換器部件、原子熱反應堆材料及空間光學應用材料。碳化硅陶瓷也是目前公認的防彈陶瓷材料，可有效減小子彈和破片的縱向侵徹深度。但是，碳化硅陶瓷的韌性較低，容易斷裂，嚴重限制了其應用范圍。

碳化硅是制備高質量、大尺寸石墨烯的最佳原料之一，與石墨烯具有很好的相容性。石墨烯納米片摻雜碳化硅陶瓷的研究是近年來無機材料領域的一個熱點。利用石墨烯優異的力學性能可有有效增加碳化硅陶瓷的韌性。但是，目前這方面的工作主要集中在小樣品的試驗階段，西班牙的M.Belmonte等(Scripta Materialia(2016；113:127-30))公開了高強度石墨烯納米片/碳化硅復合材料的制備方法。但是，這種采用SPS的制備方法目前只適用于小尺寸樣品(通常外徑40mm以內)的制備；并且其內在的機理尚未完全清楚。雖然，Sedlak等(Journal of the European Ceramic Society 2017，37，(14):4307-14)公開了石墨烯納米片/碳化硅復合材料的熱壓燒結方法。但是，他們制備的復合材料的微觀結構顯示晶粒異常長大，晶粒尺寸在10μm左右，部分晶粒尺寸達到20μm。這樣的微觀結構，導致其抗彎強度只有290MPa，未能體現出石墨烯納米片的優異力學性能。

發明內容

針對現有石墨烯納米片/碳化硅復合材料的小尺寸、低力學性能等問題，本發明的目的在于提供一種大尺寸、高強度石墨烯納米片/碳化硅復合材料及其制備方法。

一方面，本發明提供了一種石墨烯納米片/碳化硅復合材料的制備方法，包括：

以碳化硅、碳化硼、石墨烯納米片和碳黑為原料，按照石墨烯納米片/碳化硅復合材料的組分稱量并混合，得到原料粉體，所述組分包括：81～98wt％碳化硅、0.5～6wt％碳黑、0.5～3wt％碳化硼和1～10wt％石墨烯納米片，各組分含量和為100wt％；

將所得原料粉體置于模具中進行熱壓燒結，得到所述石墨烯納米片/碳化硅復合材料，所述熱壓燒結的燒結溫度為1900～2200℃，燒結壓力為20～80MPa。

本發明中，在碳化硅粉體的基礎上，采用碳黑-碳化硼-石墨烯納米片復合燒結助劑，在熱壓燒結(燒結溫度為1900～2200℃，燒結壓力為20～80MPa)過程中，抑制碳化硅晶粒長大并使碳化硅晶粒保持在2μm以下。其中碳黑可以與碳化硅表面的氧化硅反應，促進致密化；而碳化硼能與碳化硅發生部分固溶，從而加速物質傳遞，提高材料強度；石墨烯能隔絕晶粒生長，從而限制晶粒尺寸。而且石墨烯納米片可有效綁定晶粒(如圖1所示)，使得石墨烯納米片形成定向摻雜，最終實現增強、增韌的效果。