石墨烯陶瓷基复合材料研究进展

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1、第38卷第3期现代技术陶瓷Vol.38No.32017年6月AdvancedCeramicsJune2017中图分类号：TB33文献编号：1005-1198(2017)03-0176-13文献标识码：ADOI：10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2017.03.002石墨烯/陶瓷基复合材料研究进展陈程，云闯，杨建，冯永宝，丘泰南京工业大学材料科学与工程学院，南京210009江苏先进无机功能复合材料协同创新中心，南京210009摘要：2004年以来，石墨烯以其优异的力学、电学、热学和光学性能以及独特的

2、二维结构成为材料领域的研究热点。本文结合作者所在课题组的相关工作，综述了石墨烯应用于陶瓷基复合材料的国内外研究进展，重点介绍了石墨烯/陶瓷复合粉体的制备、石墨烯/陶瓷基复合材料的烧结工艺以及性能，探讨了石墨烯/陶瓷基复合材料的研究发展方向及应用前景。关键词：石墨烯；陶瓷；复合材料[1]2004年，曼彻斯特大学的Geim等人通过使用胶带直接剥离石墨晶体首次成功制备出了稳定的石墨烯。石墨烯是由碳原子构成的单层二维蜂窝状晶体，其厚度只有0.3354nm，是目前世界上发现的最薄并且最坚硬的材料。由于具有独特的单原子层结构，石

3、墨烯具有诸多优异的性能：热导率1[2]52[3]高达5300W·(m·K)；禁带宽度几乎为零；载流子迁移率达2×10cm/(V·s)，是世界上电阻率62[4]最小(约10Ω·cm)的材料；比表面积理论值为2630m/g；断裂强度达125GPa，比最好的钢材[5]还要高200倍；杨氏模量约为1100GPa。石墨烯具有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。此外，石墨烯还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率[69]等一系列独特性质。这些优异的性能使其在能源、微电子、复合材料、

4、信息以及生物医药等领域具有重大的应用前景，因此全世界都掀起了石墨烯研究的热潮。[1012]陶瓷基复合材料的增强相主要有纤维、晶须、颗粒、片状材料等。碳素材料中的碳纤维、[1315]碳纳米管等一维材料作为增强相在陶瓷基复合材料中已经获得了广泛的应用。石墨烯作为一种新型的二维碳材料，具有优异的物理、化学性能，因而也是一种理想的陶瓷基复合材料增强相。2005[16]年，Li等人将石墨粉、石墨烯片以及碳纳米管混合后制成悬浮液喷涂于钛箔上，利用碳在钛中的收稿日期：20170307收到修改稿

5、日期：20170324基金项目：江苏高校优势学科建设工程(PAPD)；长江学者和创新团队发展计划(PCSIRT;IRT1146;IRT15R35)。第一作者：陈程(1993),男,江苏南通人,硕士研究生。E-mail:cc94top@163.com。通讯作者：杨建(1976),男,宁夏灵武人,教授。E-mail:yangjian1976@163.com。第3期《现代技术陶瓷》AdvancedCeramics,2017,38(3):176188177扩散反应，采用放电等离子烧结在1450C、40MPa压

6、力下保温2min原位制备了TiC/C复合材料，首次将石墨烯应用于陶瓷基复合材料中。经过11年的发展，目前研究人员已经将石墨烯引入到了TiC、Al2O3、AlN、SiO2、Si3N4、SiC、B4C等陶瓷基体中，在力学性能、电学性能、可加工性能等方面获得了显著的增强改性效果。本文从石墨烯/陶瓷复合粉体的制备、石墨烯/陶瓷基复合材料的烧结以及性能研究等方面介绍了石墨烯/陶瓷基复合材料的研究进展，总结了目前研究中存在的问题，对今后的研究方向进行了展望。1石墨烯/陶瓷基复合材料的制备目前，石墨烯/陶瓷复合粉体的制备主要采用传

7、统的机械混合复合路线，即通过机械混合制备出石墨烯/陶瓷复合粉体。在烧结方面，随着陶瓷烧结技术的不断发展，目前更多的是将复合粉体直接进行加压烧结得到石墨烯/陶瓷基复合材料，从而省略了中间压制生坯的步骤。1.1石墨烯/陶瓷复合粉体的制备在复合材料中，增强相在基体材料中分散的好坏直接影响复合材料的性能。目前，石墨烯/陶瓷复合粉体的制备方法主要有两类。第一类方法是先将石墨烯单独分散于分散剂或水溶液中得到稳定的石墨烯悬浮液，然后将石墨烯悬浮液与陶瓷粉混合球磨得到均匀的石墨烯/陶瓷复合粉体。由于石墨烯容易团聚，难以长时间稳定分散

8、在溶液中，因此选择合适的分散剂尤为重要。目前常用于分散石墨烯的分散剂主要有十二烷[17]基磺酸钠水溶液、胆酸钠水溶液以及N甲基2吡咯烷酮。Lotya等人将石墨烯分散在十二烷基磺酸钠水溶液中，发现表面活性剂的引入使得石墨烯片与片之间产生库仑斥力，因此石墨烯没有发[18]生明显的团聚。此后，他们又将石墨烯分散于胆酸钠水溶液中，发现其分散性能优