一种碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料，属于复合材料技术领域，由下述按质量百分比计的组分组成：碳化钛10‑40％，氧化钙0.1‑2％，氧化钇0.1‑2％，经表面改性处理的石墨烯0.1‑5％，经表面改性处理的碳纳米管0.1‑5％，余量为氧化铝，共计100％；还公开了上述复合材料的制备方法，其中经过表面改性处理的石墨烯是将石墨烯采用芦丁水溶液改性得到的石墨烯，经过表面改性处理的碳纳米管是将碳纳米管采用没食子酸水溶液改性得到的碳纳米管；本发明专利技术得到的碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料结构均匀致密，孔隙率低，致密度高，因此可以得到优良的力学性能；本发明专利技术方法不产生废气、废渣等污染物，工艺简单，易于生产。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料及制备方法
本专利技术涉及一种，尤其涉及一种碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料及制备方法。
技术介绍
氧化铝陶瓷材料的高机械性能和功能特性使其具有广泛的应用前景。但纯氧化铝陶瓷材料脆性大，断裂韧性有限，不能应用于许多结构材料中。这导致了纳米粒子增强陶瓷基复合材料的发展。纳米粒子在氧化铝陶瓷基体中分散良好，可以改善氧化铝的断裂韧性、断裂强度、弹性模量和耐磨性等力学性能。然而，通过在整体陶瓷中加入增强的连接来降低整体陶瓷的致密化。因此，找到合适的纳米增强相是提高氧化铝陶瓷力学性能的关键。
技术实现思路
本专利技术的目之一，的就在于提供一种碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料，以解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料，由下述按质量百分比计的组分组成：碳化钛10-40％，氧化钙0.1-2％，氧化钇0.1-2％，经表面改性处理的石墨烯0.1-5％，经表面改性处理的碳纳米管0.1-5％，余量为氧化铝，共计100％。作为优选的技术方案，由下述按质量百分比计的组分组成：碳化钛20-40％，氧化钙0.1-1％，氧化钇0.1-1％，经表面改性处理的石墨烯0.1-2％，经表面改性处理的碳纳米管0.1-2％，余量为氧化铝，共计100％。石墨烯和碳纳米管都是近年来新兴的纳米增强相，在制作金属材料和陶瓷材料中有广泛的应用。石墨烯的高比表面积和碳纳米管高的长径比在制作高强度氧化铝陶瓷中有独到的优势，两种纳米增强相任意一种都可作为增强相，但是两种纳米增强相的协同作用比单一增强相的强化效果更好。但是纳米增强材料在基体中的均匀分布和分散是制备纳米复合材料粉体的一个重要问题。随着碳纳米管和石墨烯含量的增加，由于范德华力的作用，团聚现象会加剧，导致复合材料的力学性能下降。高能球磨、化学沉积、超声分散可以改善石墨烯和碳纳米管的分散性，此外，使用碳纳米管和石墨烯作为混合剂，由于它们的协同作用，可以获得更好的分散性。除了含量之外，碳纳米管的长径比和石墨烯的层数也对材料的力学性能有影响。高层数的石墨烯在应力作用下，内层的石墨烯通过层间滑移来消耗能量，从而提高断裂韧性。增韧机理主要由裂纹偏转，裂纹桥连，裂纹拔出等。总的来说，碳纳米管和石墨烯增强的氧化铝陶瓷具有很好的应用前景。碳纳米管和石墨烯分别为一维和二维材料，因此他们之间性质不同。石墨烯对晶粒细化影响更大，碳纳米管对界面强化作用更大。在裂纹扩展过程中，碳纳米管比石墨烯在碰撞前拉伸的时间要长得多，从而对桥接效果的贡献更大。但是，两种增强相的协同增强效果是增强复合材料的有效方法。一维碳纳米管可以与二维石墨烯相互作用，形成三维结构，提高了分散性和增强效果。除了增强相，制备方法也会影响材料的力学性能。制备高密度的氧化铝陶瓷,传统烧结方法要求使用相对较高的烧结温度和较长的烧结时间，这通常会导致晶粒生长和纳米结构特征的丧失。放电等离子体烧结(SPS)是一种新型的烧结方法，使用SPS制作的氧化铝陶瓷，在氧化铝中，通过添加了碳纳米管和石墨烯作为导电路径，从而促进了基体颗粒的局部加热，导致纳米复合材料的快速致密化，短时间烧结过程促进了纳米增强相在复合材料中保持固有的几何结构和键合结构，由于烧结周期短，加热速度快，晶粒长大受到限制。其中经表面改性处理的石墨烯和碳纳米管分别是用芦丁水溶液和没食子酸水溶液改性制成的，因此分散性好，杂质含量低，且保持了完整的长径比和层片比，显著提高了碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料材料的摩擦磨损性能，同时使氧化铝复合材料具有优异的强度和耐冲击性。该碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料中各组分的性能产生协同增强的作用，显著提高了碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料的强度、耐摩擦磨损性能。采用放电等离子体烧结方法可以增加砂轮的致密度，降低了氧化铝复合材料的孔隙率；本专利技术各组分的性能可产生共增强的作用，经过表面改性处理的石墨烯和经过表面处理的碳纳米管与基体之间可以有效的结合在一起，增强效果显著提高，增强复合材料的强度和服役寿命。经过表面改性处理的石墨烯和碳纳米管由于具有特殊的结构，可以显著提升砂轮的耐磨性，经过表面改性处理的石墨烯和碳纳米管可以阻碍氧化铝晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。氧化钙和氧化钇的作用是作为烧结助剂，降低烧结温度，同时在高温过程中形成液相辅助烧结。碳化钛有一定的导电性，可以使得SPS烧结过程中电流均匀的通过氧化铝复合材料内部，使复合材料烧结均匀致密。作为优选的技术方案，所述经表面改性处理的石墨烯是将石墨烯采用芦丁水溶液改性得到的石墨烯。作为进一步优选的技术方案，具体过程为：将石墨烯加入到芦丁水溶液中，进行机械搅拌，随后进行超声分散处理，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的石墨烯。作为优选的技术方案，所述经表面改性处理的碳纳米管是将碳纳米管采用没食子酸水溶液改性得到的碳纳米管。作为进一步优选的技术方案，方法为：将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，进行机械搅拌，随后进行超声分散处理，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经表面改性处理的碳纳米管。所述芦丁水溶液由去离子水配制，芦丁水溶液中芦丁的浓度为0.001-18μg/mL。进一步，所述芦丁水溶液的浓度为0.02-0.2μg/mL，最优选地，所述芦丁水溶液的浓度为0.02μg/mL。优选地，所述没食子酸水溶液由去离子水配制，没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为3-18μg/ml。进一步，所述没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为5-15μg/ml。最优选地，所述没食子酸水溶液的浓度为10μg/mL。优选地，所述经表面改性处理的石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.05-0.5g：20-60mL。进一步，所述经表面改性处理的石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.05-0.2g：30-50mL。最佳优选，所述经表面改性处理的石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.1g：40mL。优选地，所述经表面改性处理的碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.05-0.5g:20-60ml。进一步，所述经表面改性处理的碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.08-0.2g:30-50ml。最佳优选，所述经表面改性处理的碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.1g：40mL。优选地，所述超声分散的时间为20-60min；所述静置的时间为12-48h；所述真空干燥的温度为50℃-90℃，所述真空干燥的时间为1-4h。进一步，所述超声分散的时间为20-40min；所述静置的时间为20-30h；所述真空干燥的温度为70℃-85℃，所述真空干燥的时间为1.5-3h。进一步，所述超声分散的时间为30min；所述静置的时间为24h；所述真空干燥的温度为80℃，所述真空干燥的时间为2h。本专利技术的目的之二，在于提供上述的碳纳米管和石墨烯协同增强氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料，其特征在于，由下述按质量百分比计的组分组成：碳化钛10-40％，氧化钙0.1-2％，氧化钇0.1-2％，经表面改性处理的石墨烯0.1-5％，经表面改性处理的碳纳米管0.1-5％，余量为氧化铝，共计100％。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料，其特征在于，由下述按质量百分比计的组分组成：碳化钛10-40％，氧化钙0.1-2％，氧化钇0.1-2％，经表面改性处理的石墨烯0.1-5％，经表面改性处理的碳纳米管0.1-5％，余量为氧化铝，共计100％。


2.根据权利要求1所述的碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料，其特征在于，由下述按质量百分比计的组分组成：碳化钛20-40％，氧化钙0.1-1％，氧化钇0.1-1％，经表面改性处理的石墨烯0.1-2％，经表面改性处理的碳纳米管0.1-2％，余量为氧化铝，共计100％。


3.根据权利要求1所述的碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料，其特征在于，所述经表面改性处理的石墨烯是将石墨烯采用芦丁水溶液改性得到的石墨烯。


4.权利要求1-3任一项所述的碳纳米管和石墨烯协同增强氧化铝基复合材料材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋小松，孙大明，张亚丽，杨刘，高奇，孙红亮，邵甄胰，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51