專利名稱：氧化鋁/石墨層納米復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種氧化鋁/石墨層納米復合材料及其制備方法，屬于復合材料 領域。
背景技術：
迄今為止，關于將碳納米管復合于結構材料中的研究己經經歷了多年的嘗 試。作為廣受注目的一種材料，碳納米管具有強度、韌性高的優點，它的延伸
率、彈性模量大，平均彈性模量為1.25TPa，強度約為鋼的100倍，而密度卻只 有鋼的1/6。陶瓷中加入碳納米管，曾經被認為可能是提高陶瓷斷裂韌性的最為 有效的途徑之一。
然而，根據最近的氧化鋁/碳納米管復合材料的研究情況，可以看出碳納米 管的使用并沒有取得顯著的增韌效果，而且氧化鋁/碳納米管復合材料的斷裂韌 性的測試結果差異比較大。造成這些差異的原因， 一方面是斷裂韌性的測試方 法不同導致的，另一方面是來自于碳納米管在基體中的分散問題，而這也是研 究中的一個難點。因為碳納米管具有較大的長徑比，管與管之間容易互相纏繞 交織成較大的團聚體，這種固有的特性也決定了其難以分散的特點。雖然后來 有學者采用基體中原位制備碳納米管的方法，但是由于碳納米管與基體之間存 在較大的空隙，也無法有效地承擔載荷，因此難以達到預期的增韌效果。
最近的研究結果[S. Stankovicb D. A DikU G. Pl Bt Dommett K M, Kohlhaas， E J. Zimney， E A Stach， et al， Graphene-based composite materials Nature 2006， 442: 282.]表明二維 (2D)結構的納米石墨層片具 有與碳納米管相似的物理性能，并且是至今所測量過的強度最高的材料 [Changgu Lee， Xiaoding Wei， Jeffrey W. Kysar， James Hone, Science, 2008: 321:385]，比結構鋼的強度要高200倍，而其自身形態又使其具有易于分散的 特點。因此以石墨為原材料制備這一特殊形貌的材料并應用于氧化鋁的基體之 中，可以獲得高性能的氧化鋁基復合材料。納米石墨層材料目前的研究主要集 中在有機高分子材料的復合中，在陶瓷材料方面的應用鮮有報道。
發明內容
本發明的目的在于提供一種氧化鋁/納米石墨層納米復合材料及其制備方 法，具體包括下述步驟
1、 氧化鋁/納米石墨層復合粉體制備
采用石墨和納米氧化鋁為原料按石墨氧化鋁體積比為99. 9/0. 1 — 80/20 混合獲得混合粉體。
所述的混合方式可以采用高能球磨或行星球磨或攪拌磨等方式中的一種。
所述的混合方式可以加入乙醇作為球磨介質。
所述的混合方式可以采用氧化鋁磨球。
2、 咼溫燒結
將步驟i獲得混合粉體在真空條件或惰性氣氛下進行燒結，燒結的條件為
1250 1500°C，保溫時間范圍在3 120min。
所述的燒結方式可采用熱壓或熱等靜壓或放電等離子體燒結方式中的一種。
熱壓燒結條件為保持升溫速率為2 20°C/min;保溫時間為20 60min; 燒結壓力為5 50MPa。
放電等離子體燒結條件為保持升溫速率為50 300°C/min;保溫時間為 3 60min;燒結壓力為5 100 MPa。
熱等靜壓燒結條件為保持升溫速率為2 2(TC/min;保溫時間為20 60min;燒結壓力為5 300 MPa。
利用上述方法獲得的氧化鋁/納米石墨層復合材料，其體積配比為99.9/0. 1 —80/20，氧化鋁晶粒尺寸小于500nm，納米石墨層厚度在1 10n m。
其中優選的納米石墨層厚度在2 6nm
本發明的氧化鋁/納米石墨層復合材料具有納米結構，材料的斷裂韌性在 3.20 3.81 MPa'm1/2，顯微硬度在14 18GPa，可用于高強度力學材料或導
電材料領域。
圖1為實施例2的行星球磨后氧化鋁/納米石墨層粉體的高分辨透射電鏡照
片；
圖2為實施例2的燒結體的斷口掃描電鏡(SEM)照片；圖3為實施例3的高能球磨后氧化鋁/納米石墨層粉體的高分辨透射電鏡照片。
圖4為氧化鋁/納米石墨層復合材料燒結塊體的高分辨透射電鏡照片。
具體實施例方式
以下以實施例的形式說明本發明，但不僅限于實施例。 實施例1
以組分為99. 9%氧化鋁和0. 1%納米石墨層的復合材料為例，首先將氧化鋁 粉、石墨粉置于行星式球磨機的氧化鋁球磨罐中，用氧化鋁球和酒精介質球磨 50 h，轉速為250rpm，然后進行干燥。隨后利用標準尼龍篩對粉料進行過篩， 以獲取所需粒度分布的初始粉料。將粉料裝入石墨模具后，放入熱壓燒結爐中 進行燒結。
熱壓燒結在氬氣條件下進行。采用的燒結溫度為150CTC;升溫速率為IO 。C/min;保溫時間為30min;燒結壓力為30MPa。
實施例2
以組分為95%氧化鋁-5%納米石墨層的復合材料為例，首先將氧化鋁粉、 石墨粉置于行星式球磨機的氧化鋁球磨罐中，用氧化鋁球和酒精介質球磨50 h， 轉速為250rpm，然后進行干燥。隨后利用標準尼龍篩對粉料進行過篩，以獲 取所需粒度分布的初始粉料。將粉料裝入石墨模具后，放入放電等離子體燒結 (Spark Plasma Sintering,簡稱SPS)設備中進行燒結。
SPS制備過程在真空條件下進行。采用的燒結溫度為1400°C;升溫速率為 100°C/min;保溫時間為3min;采用兩步加壓的方式，燒結前所施加的壓力為 lOMPa，保溫階段所施加的壓力為60MPa。圖1為球磨50h復合粉體的高分 辨透射電鏡照片，圖2為燒結樣品的掃描電鏡斷口照片。
實施例3
以組分為98%氧化鋁-2%納米石墨層的復合材料為例，首先將Al203、和 石墨粉按照設計計量比配料，然后在手套箱中裝入球磨罐，以480rpm轉速進 行高能球磨30h，獲得復合粉料，再進行SPS燒結，燒結在惰性氣氛下進行， 燒結溫度為1300。C，升溫速率為100°C/min，保溫時間為3min;保溫階段壓力為50MPa，其余同實施例2。附圖3為球磨30h復合粉體的高分辨透射電 鏡照片。
實施例4
以組分為97%氧化鋁和3%納米石墨層的復合材料為例，首先將氧化鋁粉、 石墨粉置于滾筒式磨的氧化鋁球磨罐中，用氧化鋁球和酒精介質球磨80h，轉 速為180rpm，然后進行干燥。隨后利用標準尼龍篩對粉料進行過篩，以獲取 所需粒度分布的初始粉料。將粉料裝入石墨模具后，放入熱壓燒結爐中進行燒 結。
熱壓燒結在氬氣條件下進行。采用的燒結溫度為1450°C;升溫速率為IO "C/min;保溫時間為30min;燒結壓力為30MPa。
權利要求
1、氧化鋁/石墨層納米復合材料，其特征在于其體積配比為99.9/0.1-80/20，氧化鋁晶粒尺寸小于500nm，納米石墨層厚度在1～10nm。
2、 氧化鋁/石墨層納米復合材料，其特征在于納米石墨層厚度在2 6nm,
3、 氧化鋁/石墨層納米復合材料的制備方法，包括下述步驟(1) 采用石墨和納米氧化鋁為原料按石墨氧化鋁體積配比為99.9/0. 1_ 80/20混合獲得混合粉體；(2) 將步驟1獲得混合粉體在真空條件或惰性氣氛下進行燒結，燒結的條 件為1250 1500°C，保溫時間范圍在3 120min。
4、 按權利要求3所述的氧化鋁/石墨層納米復合材料的制備方法，其特征 在于所述的混合方式采用高能球磨或行星球磨或攪拌磨等方式中的一種。
5、 按權利要求3所述的氧化鋁/石墨層納米復合材料的制備方法，其特征在于所述的混合方式加入乙醇作為球磨介質。
6、 按權利要求3所述的氧化鋁/石墨層納米復合材料的制備方法，其特征在于所述的燒結方式采用熱壓或熱等靜壓或放電等離子體燒結方式中的一種。
7、 按權利要求6所述的氧化鋁/石墨層納米復合材料的制備方法，其特征 在于所述的熱壓燒結條件為保持升溫速率為2 20°C/min;保溫時間為20 60min;燒結壓力為5 50 MPa。
8、 按權利要求6所述的氧化鋁/石墨層納米復合材料的制備方法，其特征 在于所述的放電等離子體燒結條件為保持升溫速率為50 30(TC/min;保溫時 間為3 60min;燒結壓力為5 100M Pa。
9、 按權利要求6所述的氧化鋁/石墨層納米復合材料的制備方法，其特征 在于所述的熱等靜壓燒結條件為保持升溫速率為2 2(TC/min;保溫時間為 20 60min;燒結壓力為5 300 MPa。
10、 氧化鋁/石墨層納米復合材料用于高強度力學材料或導電材料。
全文摘要
本發明涉及一種氧化鋁/石墨層納米復合材料及其制備方法，屬于復合材料領域。本發明采用石墨和納米氧化鋁為原料按石墨氧化鋁體積比為99.9/0.1-80/20混合獲得混合粉體，然后在真空條件或惰性氣氛下進行燒結，燒結的條件為1250～1500℃，保溫時間范圍在3～120min。本發明的氧化鋁/石墨層納米復合材料氧化鋁晶粒尺寸小于500nm，納米石墨層厚度在1～10nm，可用于高強度力學材料或導電材料領域。
文檔編號C04B35/622GK101407419SQ20081020207
公開日2009年4月15日 申請日期2008年10月31日 優先權日2008年10月31日
發明者張建峰, 李建林, 莞 江, 王連軍, 挺 賀, 陳立東 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所