一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于无机复合材料制备技术领域，更具体地，涉及一种三维多孔陶瓷‑石墨烯块体复合材料及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：(1)将三维多孔陶瓷块体浸泡在含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液中，使溶液离子渗透进入所述陶瓷块体的孔隙中；取出后烘干表面水分，得到陶瓷‑催化剂块体；(2)将步骤(1)所述陶瓷‑催化剂块体在还原气氛中加热还原，使所述含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐在所述陶瓷‑催化剂块体中还原形成金属颗粒，该金属颗粒为催化剂；然后在含碳气体中进行原位气相沉积使石墨烯生长沉积在所述三维多孔陶瓷骨架表面，制得三维多孔陶瓷‑石墨烯块体复合材料。

Three dimensional porous ceramic graphene block composite material and preparation method thereof

The invention belongs to the field of inorganic composite material preparation technology, and more specifically relates to a three-dimensional porous ceramic graphite graphene block composite material and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: (1) a three-dimensional porous ceramic block is soaked in a salt solution containing a metal ion which has a catalytic effect on the growth of graphene, and the solution ions are permeated into the pores of the ceramic block, and the surface moisture of the surface is dried after being removed, and the ceramic ceramic catalyst block is obtained; (2) the steps (1) of the pottery are made. The metal ions containing metal ions which have catalytic action on the growth of the graphene are reduced to metal particles in the ceramic catalyst block, and the metal particles are the catalysts; then the in situ vapor deposition in the carbon containing gas makes the graphene grow in the deposit. Three dimensional porous ceramic and graphene block composites were fabricated on three dimensional porous ceramic skeleton surface.

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料及其制备方法
本专利技术属于无机复合材料制备
，更具体地，涉及一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由sp2杂化的碳原子以六边形周期排列形成的二维结构,其厚度只有0.335nm,是目前世界上发现的最薄却最坚硬的材料,同时也是其他维碳材料的基本结构单元。2004年曼彻斯特大学的Geim等通过使用胶带直接剥离石墨晶体,首次成功制备出稳定的石墨烯,让人们对石墨烯这种材料有了空前的关注。因其独特的单原子层结构,使得石墨烯具有许多优异的材料性能:禁带宽度为0，透光度约为97.7％,导热系数高达5300W/(m·K)，室温下电子迁移率约为2×105cm2·V·s，电阻率低至10-6Ω·cm。石墨烯比表面积的理论计算值为2630m2/g，强度达130GPa，杨氏模量约为1100GPa。其断裂强度约为125GPa,与碳纳米管相当。同时,其独特的结构使其具有室温量子霍尔效应、量子隧道效应、双极电场效应和良好的电磁性等特殊性质。这些优异的性能,使其在能源、微电子、复合材料、信息及生物医药等领域具有重大的应用前景。随着对石墨烯研究的深入,石墨烯在陶瓷基块体复合材料中的应用越来越受到关注。传统的陶瓷基复合材料使用一维碳纤维、碳纳米管以及陶瓷晶须作为增强相,但是这些材料在陶瓷基体中分散不均匀,容易团聚；相对于低维的纳米复合组分来说,石墨烯具有更大的优势,例如能够较好地分散于陶瓷基体中,加之其优异的力学和物化性能,将其复合到陶瓷基块体复合材料中,对提高材料综合性能有很大的潜力,有希望得到具有某些独特性能的结构-功能一体化块体陶瓷复合材料。对于陶瓷/石墨烯块体复合材料，将石墨烯引入陶瓷基体中不仅可以增强陶瓷材料的强度和韧性，还能使陶瓷材料具有低密度、高强度、抗氧化、耐热冲刷、耐烧蚀性能优良等优点，还能赋予陶瓷材料半导体、导电、导热、电化学等性能，可应用于传感器、加热器件、储能电极等诸多领域中。目前有陶瓷粉体和石墨烯复合、陶瓷/石墨烯复合粉体材料的报道，但是陶瓷粉体复合石墨烯或其制备方法仍存在分散性能、成块性能较差的技术缺陷，且受制于类似于耐腐蚀电极,加热体等方面的应用。因此，开发陶瓷/石墨烯块体复合材料有利于解决这些问题。对于陶瓷/石墨烯块体复合材料,由于制备复杂困难,有关的研究较少，该类复合材料的制备方法,复合模式以及复合比例等对材料性能的影响还都没有得到深入的系统研究。在制备方法上，传统陶瓷/石墨烯复合材料大多采用氧化石墨烯与陶瓷粉末球磨、煅烧，此类方法不易控制复合材料的复合质量、且氧化石墨烯制备有大量废酸、重金属离子产生，严重污染环境、不利于工业级生产。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料及其制备方法，其充分结合三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料的特点和需求，针对性地对该复合材料的制备工艺进行重新设计，并对制备过程中的关键工艺参数、原料种类进行选择和优化，相应制备得到了一种导电性好、稳定、高强度等综合性能优异的三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料，将石墨烯与陶瓷的特点进行结合，扩宽了石墨烯及陶瓷复合材料的应用前景。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)制备陶瓷-催化剂块体：对三维多孔陶瓷块体进行处理，使含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液渗透进入所述三维多孔陶瓷块体的孔隙中；取出后干燥处理，得到陶瓷-催化剂块体；(2)制备三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料：将步骤(1)所述陶瓷-催化剂块体在还原气氛中加热还原，使所述含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐在所述陶瓷-催化剂块体中还原形成金属颗粒；然后以所述金属颗粒为催化剂，在含碳气体中进行原位气相沉积使石墨烯生长沉积在所述三维多孔陶瓷骨架表面，制得三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料。优选地，步骤(1)所述对三维多孔陶瓷块体进行处理，具体为：将三维多孔陶瓷块体浸泡在含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液中。优选地，浸泡时间为2～10小时。优选地，步骤(1)所述对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液为含有钴、铁或镍金属离子的盐溶液，优选为硝酸镍、氯化镍、硝酸钴、氯化钴、硝酸铁或氯化铁溶液。优选地，所述盐溶液的浓度为0.1～1mol/L。优选地，所述干燥处理温度为60～80℃。优选地，步骤(2)所述还原气氛为氢气，还原温度为400～450℃，通入的氢气含量为1vol％～10vol％，还原时间为0.5～1小时。优选地，步骤(2)所述含碳气体包括甲烷和氢气，还包括氩气或氮气。优选地，所述甲烷、氢气和氩气，或者甲烷、氢气和氮气的体积比为1:2～4:30。优选地，所述甲烷的流量为10～20SCCM。优选地，步骤(2)所述气相沉积的温度为900～1050℃，沉积时间为2～6小时。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料，以三维多孔陶瓷为骨架，在其陶瓷骨架表面和内部生成有多层石墨烯。优选地，所述多层石墨烯为2～10层石墨烯。优选地，所述三维多孔陶瓷为具有三维多孔结构的氧化铝、氧化锆或氧化铈块体。优选地，所述三维多孔陶瓷体积密度为3.81-3.93g/cm3，抗折强度为300-350MPa，硬度HRA为84-92。优选地，所述三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料的体积密度为3.85-3.96g/cm3，抗折强度为330-370MPa，硬度HRA：86-95。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提出了一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料的制备方法，在催化剂的催化作用下，通过气相沉积在三维多孔陶瓷块体表面原位生长少层或寡层的石墨烯，保持了陶瓷块体原有的三维多孔结构，同时精确控制了石墨烯的生长，将二者进行复合，最大限度的利用二者的优势，使得制备得到的复合材料在抗折强度、硬度等方面展现出优异的性能。(2)本专利技术通过原位气相沉积法制备得到的三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料，石墨烯与陶瓷材料表面紧密结合形成复合材料，复合材料的稳定性好。(3)本专利技术提供的三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料，以多孔陶瓷为骨架，石墨烯原位生长在陶瓷表面，提高了复合材料的导电性；石墨烯的修饰，可以使陶瓷材料具有高强度、抗氧化、耐冲刷等优点。(4)本专利技术提供的三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料的制备方法简单、快速、安全，且制备出的材料无需进行后续处理。因此本专利技术提供了具有工业化应用前景的多孔陶瓷-石墨烯复合材料及其制备方法，在催化，能源，光电等应用领域具有广阔前景。附图说明图1是三维多孔陶瓷/石墨烯复合材料的制备流程示意图；图2是制备过程中不同样品的实物照片图；图3是三维多孔陶瓷和三维多孔陶瓷/石墨烯复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图；图4是三维多孔陶瓷/石墨烯复合材料的拉曼光谱图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维多孔陶瓷‑石墨烯块体复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备陶瓷‑催化剂块体：对三维多孔陶瓷块体进行处理，使含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液渗透进入所述三维多孔陶瓷块体的孔隙中；取出后干燥处理，得到陶瓷‑催化剂块体；(2)制备三维多孔陶瓷‑石墨烯块体复合材料：将步骤(1)所述陶瓷‑催化剂块体在还原气氛中加热还原，使所述含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐在所述陶瓷‑催化剂块体中还原形成金属颗粒；然后以所述金属颗粒为催化剂，在含碳气体中进行原位气相沉积使石墨烯生长沉积在所述三维多孔陶瓷骨架表面，制得三维多孔陶瓷‑石墨烯块体复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备陶瓷-催化剂块体：对三维多孔陶瓷块体进行处理，使含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液渗透进入所述三维多孔陶瓷块体的孔隙中；取出后干燥处理，得到陶瓷-催化剂块体；(2)制备三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料：将步骤(1)所述陶瓷-催化剂块体在还原气氛中加热还原，使所述含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐在所述陶瓷-催化剂块体中还原形成金属颗粒；然后以所述金属颗粒为催化剂，在含碳气体中进行原位气相沉积使石墨烯生长沉积在所述三维多孔陶瓷骨架表面，制得三维多孔陶瓷-石墨烯块体复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述对三维多孔陶瓷块体进行处理，具体为：将三维多孔陶瓷块体浸泡在含有对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液中。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述对石墨烯生长具有催化作用的金属离子的盐溶液为含有钴、铁或镍金属离子的盐溶液。4.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帅，池凯，邱永斌，许小静，徐泽跃，
申请(专利权)人：华中科技大学，江苏省陶瓷研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42