本發(fā)明涉及一種zro2陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是一種石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

zro2陶瓷是一種十分重要功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷，由于它具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)良、增韌效果顯著等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而越來(lái)越受到人們的重視，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。然而，由于陶瓷自身的本征脆性及其本征脆性導(dǎo)致的較差的機(jī)械性能，很大程度制約了其更廣泛的應(yīng)用。

自從2004年石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其優(yōu)良的性能一直備受關(guān)注。石墨烯是一種由碳原子sp²雜化軌道組成的，六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子的二維材料；石墨烯具有大于碳納米管的比表面積(2630m²·g^-1)，常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm²/(v·s)，電阻率只約10^-6ω·m，且石墨烯是一種優(yōu)異增韌材料，目前石墨烯的產(chǎn)業(yè)化主要應(yīng)用之一是在復(fù)合材料領(lǐng)域。當(dāng)石墨烯作為陶瓷材料中的添加相時(shí)，大的比表面積可以使其與陶瓷基體具有更大的結(jié)合面積，使其增大界面結(jié)合力、改善由基體向石墨烯的應(yīng)力傳遞效率，提高材料的力學(xué)性能。

純zro2陶瓷在加熱或冷卻過(guò)程中會(huì)引起開(kāi)裂，難以直接燒結(jié)成致密的zro2陶瓷，且制品的抗熱震性比較差，從而限制了純zro2陶瓷的應(yīng)用。在實(shí)踐中，為了改善其抗熱震性，提高其力學(xué)性能，制作良好的制品，常常加入一些添加劑。傳統(tǒng)的陶瓷復(fù)合材料用纖維和顆粒等材料作為陶瓷材料的增強(qiáng)體，但這些纖維材料一般會(huì)與陶瓷材料基體間存在界面結(jié)合等問(wèn)題，而將石墨烯作為增強(qiáng)體引入到陶瓷基體中，不僅可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤其是斷裂韌性，而且還能改善陶瓷的電化學(xué)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料的制備方法，它具有高的斷裂韌性，高強(qiáng)硬度，制備工藝簡(jiǎn)單，燒結(jié)方式環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的一種石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括如下制備步驟：

a.將100g氧化鋯粉末干壓成型，然后排膠處理，待用；

b.將一定質(zhì)量的石墨烯分散到n-甲基吡咯烷酮溶劑中，研磨并靜置，取上層清液，待用；

c.將a中排膠之后的預(yù)制體打磨掉表層雜質(zhì)，超聲，烘干，置于浸漬裝置中，抽真空，再將b中所制備的石墨烯分散液注入，然后進(jìn)行液封，再通入惰性氣體施壓；

d.將c中浸漬有石墨烯的zro2陶瓷預(yù)制體取出，烘干，再將預(yù)制體放入到真空環(huán)境下進(jìn)行微波燒結(jié)，即得到石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料。采用微波燒結(jié)。較傳統(tǒng)燒結(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)在于升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛(wèi)生無(wú)污染。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)特征：

步驟a中所述干壓成型在200～250mpa下進(jìn)行，所述排膠處理在700～900℃下進(jìn)行。因?yàn)樵谥苽溲趸喎勰r(shí)，由于粉末顆粒度小，表面積大，容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，所以在制備顆粒時(shí)，需要在顆粒表面包裹一層膠，防止出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。在壓成預(yù)制體時(shí)，需要把膠排除，防止在燒結(jié)成型的過(guò)程中對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生影響。若排膠溫度過(guò)低，排膠不徹底，達(dá)不到排膠的效果；排膠溫度過(guò)高，氧化鋯有一定的結(jié)晶，影響下一步的浸漬效果。

步驟b中所述n-甲基吡咯烷酮溶劑的體積與石墨烯的體積比為50:1，所述分散方式采用行星式球磨機(jī)，研磨4～6h并靜置24～48h。行星式球磨機(jī)是罐體自傳與球磨機(jī)公轉(zhuǎn)共同作用，使石墨烯充分的溶解于溶劑中且制備的石墨烯分散液均勻性好，結(jié)構(gòu)更加完整。若研磨時(shí)間過(guò)短，不能夠使石墨烯達(dá)到分散的效果；若研磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)。

步驟c中，所述預(yù)制體在砂紙上打磨掉表層雜質(zhì)，在去離子水中超聲10min，在120℃烘干，浸漬壓力為20～30mpa，時(shí)間為10～15h，所述抽真空在-0.09mpa～-0.1mpa下進(jìn)行。當(dāng)浸漬壓力過(guò)小，保壓時(shí)間過(guò)短時(shí)，石墨烯分散液不易浸漬到zro2陶瓷基體內(nèi)部；當(dāng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，zro2陶瓷基體中的石墨烯分散液為飽和狀態(tài)，則無(wú)浸漬效果。

步驟c中，所述惰性氣體為n2或者ar中的一種，所述施壓的壓力大小為20～30mpa，保壓時(shí)間為10～15h。

步驟d中，所述烘干溫度為120℃，所述燒結(jié)溫度為1200～1500℃，燒結(jié)速率為15～20℃/min。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：

(1)石墨烯與zro2陶瓷基體結(jié)合良好，且大幅度提高zro2陶瓷的斷裂韌性和強(qiáng)硬度；

(2)克服了石墨烯團(tuán)聚現(xiàn)象，能夠使石墨烯更加均勻的分散在zro2陶瓷基體中；

(3)微波燒結(jié)具有升溫速度快、加熱均勻、能源利用率高、加熱效率高和安全衛(wèi)生無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

(4)制備工藝簡(jiǎn)單，可適用于批量生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所制備的石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料的xrd圖譜。

具體實(shí)施方式

以下提供本發(fā)明一種石墨烯增強(qiáng)zro2陶瓷復(fù)合材料的制備方法的具體實(shí)施方式。

本發(fā)明的一種石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料的制備方法，具體包括以下步驟：

a.將100g氧化鋯粉末在200～250mpa下干壓成型，然后在700～900℃下排膠處理，待用；

b.將一定質(zhì)量的石墨烯采用行星式球磨機(jī)分散到n-甲基吡咯烷酮溶劑中，n-甲基吡咯烷酮溶劑的體積與石墨烯的體積比為50:1，研磨4～6h并靜置24～48h，取上層清液，待用；

c.將a中排膠之后的預(yù)制體打磨掉表層雜質(zhì)，在去離子水中超聲10min，在120℃烘干，置于浸漬裝置中，浸漬壓力為20～30mpa，時(shí)間為10～15h，在-0.09mpa～-0.1mpa下進(jìn)行抽真空，再將b中所制備的石墨烯分散液注入，然后進(jìn)行液封，再通入惰性氣體n2或者ar施壓，施壓的壓力大小為20～30mpa，保壓時(shí)間為10～15h；

d.將c中浸漬有石墨烯的zro2陶瓷預(yù)制體取出，在溫度120℃下烘干，再將預(yù)制體放入到真空環(huán)境下進(jìn)行微波燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200～1500℃，燒結(jié)速率為15～20℃/min，即得到石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料。

實(shí)施例1

首先制備石墨烯分散液，即根據(jù)n-甲基吡咯烷酮溶劑的體積與石墨烯的體積比為50:1將石墨烯采用行星式球磨機(jī)分散到n-甲基吡咯烷酮溶劑中，研磨4h并靜置24h，取上層清液；

然后將100g氧化鋯粉末在200mpa下干壓成型，得到的預(yù)制體在700℃下進(jìn)行排膠處理，將排膠處理后的預(yù)制體進(jìn)行表面打磨，且在去離子水中超聲10min，隨后在120℃環(huán)境下烘30min；其次將烘干之后的預(yù)制體放入自制的浸漬裝置中，浸漬壓力為20mpa，時(shí)間為10h，抽真空(真空度為-0.09mpa～-0.1mpa)，然后倒入石墨烯分散液將預(yù)制體液封，再通入氣體n2，使裝置壓力為20mpa且保壓10h，得到石墨烯/zro2陶瓷預(yù)制體，將浸漬好的石墨烯/zro2陶瓷預(yù)制體取出，在120℃條件下烘30min；最后將浸漬好的預(yù)制體放入真空環(huán)境下進(jìn)行微波燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200℃，燒結(jié)速率為15℃/min，即得到石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料，其斷裂韌度為10.12mpa^1/2，顯微硬度≥12gpa。

實(shí)施例2

首先制備石墨烯分散液，即根據(jù)n-甲基吡咯烷酮溶劑的體積與石墨烯的體積比為50:1將石墨烯采用行星式球磨機(jī)分散到n-甲基吡咯烷酮溶劑中，研磨6h并靜置48h，取上層清液；

然后將100g氧化鋯粉末在250mpa下干壓成型，得到的預(yù)制體在800℃下進(jìn)行排膠處理，將排膠處理后的預(yù)制體進(jìn)行表面打磨，且在去離子水中超聲10min，隨后在120℃環(huán)境下烘30min；其次將烘干之后的預(yù)制體放入自制的浸漬裝置中，浸漬壓力為30mpa，時(shí)間為15h，抽真空(真空度為-0.09mpa～-0.1mpa)，然后倒入石墨烯分散液將預(yù)制體液封，再通入氣體n2，使裝置壓力為25mpa且保壓10h，得到石墨烯/zro2陶瓷預(yù)制體，將浸漬好的石墨烯/zro2陶瓷預(yù)制體取出，在120℃條件下烘30min；最后將浸漬好的預(yù)制體放入真空環(huán)境下進(jìn)行微波燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300℃，燒結(jié)速率為15℃/min，即得到石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料，其斷裂韌度為9.32mpa^1/2，顯微硬度≥12gpa。

實(shí)施例3

首先制備石墨烯分散液，即根據(jù)n-甲基吡咯烷酮溶劑的體積與石墨烯的體積比為50:1將石墨烯采用行星式球磨機(jī)分散到n-甲基吡咯烷酮溶劑中，研磨5h并靜置30h，取上層清液；

然后將100g氧化鋯粉末在200mpa下干壓成型，得到的預(yù)制體在900℃下進(jìn)行排膠處理，將排膠處理后的預(yù)制體進(jìn)行表面打磨，且在去離子水中超聲10min，隨后在120℃環(huán)境下烘30min；其次將烘干之后的預(yù)制體放入自制的浸漬裝置中，浸漬壓力為25mpa，時(shí)間為12h，抽真空(真空度為-0.09mpa～-0.1mpa)，然后倒入石墨烯分散液將預(yù)制體液封，再通入氣體ar，使裝置壓力為30mpa且保壓10h，得到石墨烯/zro2陶瓷預(yù)制體，將浸漬好的石墨烯/zro2陶瓷預(yù)制體取出，在120℃條件下烘30min；最后將浸漬好的預(yù)制體放入真空環(huán)境下進(jìn)行微波燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400℃，燒結(jié)速率為20℃/min，即得到石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料，其斷裂韌度為10.87mpa^1/2，顯微硬度≥13gpa。

實(shí)施例4

首先制備石墨烯分散液，即根據(jù)n-甲基吡咯烷酮溶劑的體積與石墨烯的體積比為50:1將石墨烯采用行星式球磨機(jī)分散到n-甲基吡咯烷酮溶劑中，研磨4h并靜置48h，取上層清液；然后將100g氧化鋯粉末在250mpa下干壓成型，得到的預(yù)制體在800℃下進(jìn)行排膠處理，將排膠處理后的預(yù)制體進(jìn)行表面打磨，且在去離子水中超聲10min，隨后在120℃環(huán)境下烘30min；其次將烘干之后的預(yù)制體放入自制的浸漬裝置中，浸漬壓力為25mpa，時(shí)間為13h，抽真空(真空度為-0.09mpa～-0.1mpa)，然后倒入石墨烯分散液將預(yù)制體液封，再通入氣體ar，使裝置壓力為30mpa且保壓15h，得到石墨烯/zro2陶瓷預(yù)制體，將浸漬好的石墨烯/zro2陶瓷預(yù)制體取出，在120℃條件下烘30min；最后將浸漬好的預(yù)制體放入真空環(huán)境下進(jìn)行微波燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500℃，燒結(jié)速率為20℃/min，即得到石墨烯/zro2陶瓷復(fù)合材料，其斷裂韌度為9.88mpa^1/2，顯微硬度≥13gpa。

但是，上述的具體實(shí)施方式只是示例性的，為了更好的使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本專利，不能理解為是對(duì)本專利包括范圍的限制；只要是根據(jù)本專利所揭示精神的所作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。