利用石墨烯增强氧化锆陶瓷性能的制备方法
【专利摘要】氧化锆陶瓷在低温时具有很好的抗弯强度、断裂韧性、硬度和耐磨性，但是其抗热震性较差，导致其在高温条件下性能下降。本发明利用石墨烯在高温下仍具有高硬度和高强度，其强度和硬度不随温度变化而改变的独特性质，将石墨烯添加入氧化锆陶瓷中，增强氧化锆陶瓷的抗热震性，提高氧化锆陶瓷的抗弯强度、断裂韧性、硬度和耐磨性。同时，本发明也能提高氧化锆陶瓷在低温下的抗弯强度、断裂韧性、硬度和耐磨性。
【专利说明】
利用石墨烯増强氧化锆陶瓷性能的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种利用石墨烯增强氧化锆陶瓷性能的制备方法，属于复合材料生产技术领域。
【背景技术】
[0002]氧化锆陶瓷，具有熔点和沸点高、硬度大、耐磨损、耐高温、耐腐蚀，常温下为绝缘体、高温下则具有导电性等优良性质，被广泛应用于结构陶瓷和功能性陶瓷领域。相对于普通陶瓷，氧化锆陶瓷的密度、抗弯强度、断裂韧性、硬度和耐磨性更大，但抗热震性差。抗热震性代表着陶瓷材料抵抗温度变化能力的大小，也是陶瓷材料热学性能以及力学性能相对各种受热条件时一个全面的反映。氧化锆陶瓷经常在高温下使用，在高温下没有高韧性的特点，会导致其抗弯强度、断裂韧性、硬度和耐磨性下降。因此在高温和低温使用时性能的差异严重制约氧化锆陶瓷的发展。
[0003]石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，是目前自然界最薄、强度最高的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时又具有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。石墨烯抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.lTPa。高温下，还能保持其原有的形态，主要是因为石墨烯内碳原子排列是有规律的，当施加外力作用于石墨烯时，内部的碳原子不会发生位移，只是发生了弯曲变形，就可以抵制外力，保证自己的稳定性。石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10倍多，导热系数5300W/m.K，高于碳纳米管和金刚石。无论在高温或者低温下，石墨烯都具有高强度和高硬度，其力学性质不随温度改变而改变。石墨烯可作为一种典型的二维增强材料，在复合材料领域具有潜在的应用价值。
【发明内容】
[0004]为了增强氧化锆陶瓷产品抗热震性，保证其在高温下具有较大的抗热震性、抗弯强度、断裂韧性、硬度和耐磨性，以增加氧化锆陶瓷在实际应用中的使用寿命。因此本发明使用石墨烯做添加剂，利用石墨烯在高温下仍具有高硬度和高强度，其强度和硬度不随温度变化而改变的独特性质，将石墨烯添加入氧化锆陶瓷中，以增强氧化锆陶瓷的抗热震性，提高氧化锆陶瓷在高温下的抗弯强度、断裂韧性、硬度和耐磨性。同时本发明也能提高氧化锆陶瓷在低温下的抗弯强度、断裂韧性、硬度和耐磨性。
[0005]本发明的目的是公开一种利用石墨烯做添加剂增强氧化锆陶瓷性能的制备方法，包括以下步骤。
[0006]步骤一制备超细氧化锆粉体。
[0007]制备0.2mol/L的二氯氧化锆溶液。
[0008]制备0.5mol/L的碳酸氢铵溶液。
[0009]在碳酸氢铵溶液中滴加聚乙二醇，配制成含0.2%的聚乙二醇、浓度为0.5mo 1/L的碳酸氢铵溶液，然后与二氯氧化锆溶液混和反应后用磁力搅拌器搅拌，过滤得到碱式碳酸氧锆沉淀物。
[0010]将碱式碳酸氧锆沉淀物和正丁醇混合，进行共沸蒸馏脱水。将正丁醇蒸发，得到无水碱式碳酸氧锆。
[0011 ]将无水碱式碳酸氧锆煅烧得到超细氧化锆粉体。
[0012]步骤二制备氧化石墨烯胶状悬浮溶液。
[0013]将超细石墨溶于98.0%的浓硫酸中，使其充分混合。然后分别加入高锰酸钾、去离子水和过氧化氢直至无气体生成，趁热过滤。再用稀盐酸和去离子水充分洗涤直至溶液呈中性，过滤得到滤饼。
[0014]将滤饼置于600C烘箱中干燥24h，制得氧化石墨。
[0015]将氧化石墨，放入去离子水溶液中，超声得到石墨烯分散液。
[0016]将石墨烯分散液用高速离心机离心，得到稳定的氧化石墨烯胶状悬浮溶液。
[0017]步骤三制备石墨烯陶瓷超细粉体。
[0018]将步骤一得到的超细氧化锆粉体加入到步骤二得到的氧化石墨烯胶状悬浮溶液中，干燥，得到氧化石墨烯氧化锆混合物。
[0019]氧化石墨烯氧化锆混合物置于管式炉中，通入氮气，在温度为500-700°C下反应一段时间，待温度下降至25°C就可得到石墨烯氧化锆陶瓷超细粉体。
【具体实施方式】
[0020]步骤一制备超细氧化锆粉体。
[0021 ] 取17.8g二氯氧化锆溶于500mL水中，配置成0.2mol/L的溶液I。
[0022]取39.5g碳酸氢铵溶于100mL水中，配置成0.5mol/L的溶液2。
[0023]取2.08g聚乙二醇加入溶液2中，配置成含0.2%的聚乙二醇、浓度为0.5mol/L的碳酸氢铵溶液3。
[0024]将溶液I用滴液漏斗匀速滴加到溶液3中，然后利用磁力搅拌器搅拌lh，过滤得到碱式碳酸氧锆沉淀物。
[0025]将碱式碳酸氧锆沉淀物取出，用去离子水反复清洗、抽滤，使用硝酸银检测滤液，直至没有氯离子为止。
[0026]将不含氯离子的碱式碳酸氧锆沉淀物和正丁醇按照质量比1:5混合，在温度为95°C下进行共沸蒸馏脱水。脱水后，在温度为120°C下烘干lh，将正丁醇蒸发，得到碱式碳酸氧错。
[0027]将碱式碳酸氧锆置于14000C高温炉中煅烧3h，煅烧产物冷却至25V，得到超细氧化锆粉体。高温炉升温速率为10°C /min。
[0028]步骤二制备氧化石墨烯胶状悬浮溶液。
[0029]取5g超细石墨加入125mL98.0%的浓硫酸中，冰浴搅拌30min，使其充分混合。然后取20g高锰酸钾加入混合液烧杯中，放入35°C恒温水浴继续搅拌2h后加入1ml去离子水，在温度为80°C下反应15min后加入5%的过氧化氢直至无气体生成，趁热过滤后用5%的稀盐酸和去离子水充分洗涤直至溶液呈中性，过滤得到滤饼。
[0030]将滤饼置于600C烘箱中干燥24h，制得氧化石墨。
[0031 ]将氧化石墨，放入400mL去离子水溶液中，制得溶液4。
[0032]将溶液4超声分散lh，制得氧化石墨烯分散溶液5。
[O O3 3 ] 将溶液5用高速离心机离心1 m i η，得到较稳定的氧化石墨稀胶状悬浮溶液6。高速离心机转速为I OOOOrpm。
[0034]步骤三制备石墨烯陶瓷超细粉体。
[0035]将步骤一得到的超细氧化锆粉体加入到步骤二得到的氧化石墨烯胶状悬浮溶液6中，配制成溶液7。
[0036]将溶液7置于600C烘箱中干燥24h，得到氧化石墨烯氧化锆混合物。
[0037]将氧化石墨烯氧化锆混合物置于管式炉中，通入氮气，在温度为600°C下反应30min，待温度下降至25°C就可得到石墨烯氧化锆陶瓷超细粉体。
【主权项】
1.利用石墨烯增强氧化锆陶瓷性能的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一制备超细氧化锆粉体: A、取17.8g二氯氧化锆溶于500mL水中，配置成0.2mol/L的溶液I; B、取39.5g碳酸氢铵溶于100mL水中，配置成0.5mol/L的溶液2; C、取2.08g聚乙二醇加入溶液2中，配置成含0.2%的聚乙二醇、浓度为0.5mol/L的碳酸氢铵溶液3; D、将溶液I用滴液漏斗匀速滴加到溶液3中，然后利用磁力搅拌器搅拌lh，过滤得到碱式碳酸氧锆沉淀物； E、将碱式碳酸氧锆沉淀物取出，用去离子水反复清洗、抽滤，使用硝酸银检测滤液，直至没有氯离子为止； F、将不含氯离子的碱式碳酸氧锆沉淀物和正丁醇按照质量比1:5混合，在温度为95°C下进行共沸蒸馏脱水;脱水后，在温度为120°C下烘干lh，将正丁醇蒸发，得到碱式碳酸氧错； G、将碱式碳酸氧锆置于1400°C高温炉中煅烧3h，煅烧产物冷却至25°C，得到超细氧化锆粉体； 步骤二制备氧化石墨烯胶状悬浮溶液: A、取5g超细石墨加入125mL98.0%的浓硫酸中，冰浴搅拌30min，使其充分混合;然后取20g高锰酸钾加入混合液烧杯中，放入35°C恒温水浴继续搅拌2h后加入1ml去离子水，在温度为80 °C下反应15min后加入5%的过氧化氢直至无气体生成，趁热过滤后用5%的稀盐酸和去离子水充分洗涤直至溶液呈中性，过滤得到滤饼； B、将滤饼置于60°C烘箱中干燥24h，制得氧化石墨； C、将氧化石墨，放入400mL去离子水溶液中，制得溶液4； D、将溶液4超声分散Ih，制得氧化石墨烯分散溶液5; E、将溶液5用高速离心机离心1min，得到较稳定的氧化石墨稀胶状悬浮溶液6； 步骤三制备石墨烯氧化锆陶瓷超细粉体: A、将步骤一得到的超细氧化锆粉体加入到步骤二得到的氧化石墨烯胶状悬浮溶液6中，配制成溶液7; B、将溶液7置于60°C烘箱中干燥24h，得到氧化石墨烯氧化锆混合物； C、将氧化石墨烯氧化锆混合物置于管式炉中，通入氮气，在温度为600°C下反应30min，待温度下降至25°C就可得到石墨烯氧化锆陶瓷超细粉体。2.根据权利要求1所述利用石墨烯增强氧化锆陶瓷性能的制备方法，其特征在于所述高温炉的升温速率为10°C/min。3.根据权利要求1所述利用石墨烯增强氧化锆陶瓷性能的制备方法，其特征在于高速离心机转速为I OOOOrpm。
【文档编号】C04B35/626GK106045504SQ201610380797
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】杨雯渊, 戴士钦, 王维, 王维一
【申请人】曲靖焜南科技有限公司