专利名称：氧化铝/石墨层纳米复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化铝/石墨层纳米复合材料及其制备方法，属于复合材料 领域。
背景技术：
迄今为止，关于将碳纳米管复合于结构材料中的研究己经经历了多年的尝 试。作为广受注目的一种材料，碳纳米管具有强度、韧性高的优点，它的延伸
率、弹性模量大，平均弹性模量为1.25TPa，强度约为钢的100倍，而密度却只 有钢的1/6。陶瓷中加入碳纳米管，曾经被认为可能是提高陶瓷断裂韧性的最为 有效的途径之一。
然而，根据最近的氧化铝/碳纳米管复合材料的研究情况，可以看出碳纳米 管的使用并没有取得显著的增韧效果，而且氧化铝/碳纳米管复合材料的断裂韧 性的测试结果差异比较大。造成这些差异的原因， 一方面是断裂韧性的测试方 法不同导致的，另一方面是来自于碳纳米管在基体中的分散问题，而这也是研 究中的一个难点。因为碳纳米管具有较大的长径比，管与管之间容易互相缠绕 交织成较大的团聚体，这种固有的特性也决定了其难以分散的特点。虽然后来 有学者采用基体中原位制备碳纳米管的方法，但是由于碳纳米管与基体之间存 在较大的空隙，也无法有效地承担载荷，因此难以达到预期的增韧效果。
最近的研究结果[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.]表明二维 (2D)结构的纳米石墨层片具 有与碳纳米管相似的物理性能，并且是至今所测量过的强度最高的材料 [Changgu Lee， Xiaoding Wei， Jeffrey W. Kysar， James Hone, Science, 2008: 321:385]，比结构钢的强度要高200倍，而其自身形态又使其具有易于分散的 特点。因此以石墨为原材料制备这一特殊形貌的材料并应用于氧化铝的基体之 中，可以获得高性能的氧化铝基复合材料。纳米石墨层材料目前的研究主要集 中在有机高分子材料的复合中，在陶瓷材料方面的应用鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化铝/纳米石墨层纳米复合材料及其制备方 法，具体包括下述步骤
1、 氧化铝/纳米石墨层复合粉体制备
采用石墨和纳米氧化铝为原料按石墨氧化铝体积比为99. 9/0. 1 — 80/20 混合获得混合粉体。
所述的混合方式可以采用高能球磨或行星球磨或搅拌磨等方式中的一种。
所述的混合方式可以加入乙醇作为球磨介质。
所述的混合方式可以采用氧化铝磨球。
2、 咼温烧结
将步骤i获得混合粉体在真空条件或惰性气氛下进行烧结，烧结的条件为
1250 1500°C，保温时间范围在3 120min。
所述的烧结方式可采用热压或热等静压或放电等离子体烧结方式中的一种。
热压烧结条件为保持升温速率为2 20°C/min;保温时间为20 60min; 烧结压力为5 50MPa。
放电等离子体烧结条件为保持升温速率为50 300°C/min;保温时间为 3 60min;烧结压力为5 100 MPa。
热等静压烧结条件为保持升温速率为2 2(TC/min;保温时间为20 60min;烧结压力为5 300 MPa。
利用上述方法获得的氧化铝/纳米石墨层复合材料，其体积配比为99.9/0. 1 —80/20，氧化铝晶粒尺寸小于500nm，纳米石墨层厚度在1 10n m。
其中优选的纳米石墨层厚度在2 6nm
本发明的氧化铝/纳米石墨层复合材料具有纳米结构，材料的断裂韧性在 3.20 3.81 MPa'm1/2，显微硬度在14 18GPa，可用于高强度力学材料或导
电材料领域。
图1为实施例2的行星球磨后氧化铝/纳米石墨层粉体的高分辨透射电镜照
片；
图2为实施例2的烧结体的断口扫描电镜(SEM)照片；图3为实施例3的高能球磨后氧化铝/纳米石墨层粉体的高分辨透射电镜照片。
图4为氧化铝/纳米石墨层复合材料烧结块体的高分辨透射电镜照片。
具体实施例方式
以下以实施例的形式说明本发明，但不仅限于实施例。 实施例1
以组分为99. 9%氧化铝和0. 1%纳米石墨层的复合材料为例，首先将氧化铝 粉、石墨粉置于行星式球磨机的氧化铝球磨罐中，用氧化铝球和酒精介质球磨 50 h，转速为250rpm，然后进行干燥。随后利用标准尼龙筛对粉料进行过筛， 以获取所需粒度分布的初始粉料。将粉料装入石墨模具后，放入热压烧结炉中 进行烧结。
热压烧结在氩气条件下进行。采用的烧结温度为150CTC;升温速率为IO 。C/min;保温时间为30min;烧结压力为30MPa。
实施例2
以组分为95%氧化铝-5%纳米石墨层的复合材料为例，首先将氧化铝粉、 石墨粉置于行星式球磨机的氧化铝球磨罐中，用氧化铝球和酒精介质球磨50 h， 转速为250rpm，然后进行干燥。随后利用标准尼龙筛对粉料进行过筛，以获 取所需粒度分布的初始粉料。将粉料装入石墨模具后，放入放电等离子体烧结 (Spark Plasma Sintering,简称SPS)设备中进行烧结。
SPS制备过程在真空条件下进行。采用的烧结温度为1400°C;升温速率为 100°C/min;保温时间为3min;采用两步加压的方式，烧结前所施加的压力为 lOMPa，保温阶段所施加的压力为60MPa。图1为球磨50h复合粉体的高分 辨透射电镜照片，图2为烧结样品的扫描电镜断口照片。
实施例3
以组分为98%氧化铝-2%纳米石墨层的复合材料为例，首先将Al203、和 石墨粉按照设计计量比配料，然后在手套箱中装入球磨罐，以480rpm转速进 行高能球磨30h，获得复合粉料，再进行SPS烧结，烧结在惰性气氛下进行， 烧结温度为1300。C，升温速率为100°C/min，保温时间为3min;保温阶段压力为50MPa，其余同实施例2。附图3为球磨30h复合粉体的高分辨透射电 镜照片。
实施例4
以组分为97%氧化铝和3%纳米石墨层的复合材料为例，首先将氧化铝粉、 石墨粉置于滚筒式磨的氧化铝球磨罐中，用氧化铝球和酒精介质球磨80h，转 速为180rpm，然后进行干燥。随后利用标准尼龙筛对粉料进行过筛，以获取 所需粒度分布的初始粉料。将粉料装入石墨模具后，放入热压烧结炉中进行烧 结。
热压烧结在氩气条件下进行。采用的烧结温度为1450°C;升温速率为IO "C/min;保温时间为30min;烧结压力为30MPa。
权利要求
1、氧化铝/石墨层纳米复合材料，其特征在于其体积配比为99.9/0.1-80/20，氧化铝晶粒尺寸小于500nm，纳米石墨层厚度在1～10nm。
2、 氧化铝/石墨层纳米复合材料，其特征在于纳米石墨层厚度在2 6nm,
3、 氧化铝/石墨层纳米复合材料的制备方法，包括下述步骤(1) 采用石墨和纳米氧化铝为原料按石墨氧化铝体积配比为99.9/0. 1_ 80/20混合获得混合粉体；(2) 将步骤1获得混合粉体在真空条件或惰性气氛下进行烧结，烧结的条 件为1250 1500°C，保温时间范围在3 120min。
4、 按权利要求3所述的氧化铝/石墨层纳米复合材料的制备方法，其特征 在于所述的混合方式采用高能球磨或行星球磨或搅拌磨等方式中的一种。
5、 按权利要求3所述的氧化铝/石墨层纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述的混合方式加入乙醇作为球磨介质。
6、 按权利要求3所述的氧化铝/石墨层纳米复合材料的制备方法，其特征在于所述的烧结方式采用热压或热等静压或放电等离子体烧结方式中的一种。
7、 按权利要求6所述的氧化铝/石墨层纳米复合材料的制备方法，其特征 在于所述的热压烧结条件为保持升温速率为2 20°C/min;保温时间为20 60min;烧结压力为5 50 MPa。
8、 按权利要求6所述的氧化铝/石墨层纳米复合材料的制备方法，其特征 在于所述的放电等离子体烧结条件为保持升温速率为50 30(TC/min;保温时 间为3 60min;烧结压力为5 100M Pa。
9、 按权利要求6所述的氧化铝/石墨层纳米复合材料的制备方法，其特征 在于所述的热等静压烧结条件为保持升温速率为2 2(TC/min;保温时间为 20 60min;烧结压力为5 300 MPa。
10、 氧化铝/石墨层纳米复合材料用于高强度力学材料或导电材料。
全文摘要
本发明涉及一种氧化铝/石墨层纳米复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。本发明采用石墨和纳米氧化铝为原料按石墨氧化铝体积比为99.9/0.1-80/20混合获得混合粉体，然后在真空条件或惰性气氛下进行烧结，烧结的条件为1250～1500℃，保温时间范围在3～120min。本发明的氧化铝/石墨层纳米复合材料氧化铝晶粒尺寸小于500nm，纳米石墨层厚度在1～10nm，可用于高强度力学材料或导电材料领域。
文档编号C04B35/622GK101407419SQ20081020207
公开日2009年4月15日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者张建峰, 李建林, 莞 江, 王连军, 挺 贺, 陈立东 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所