畢業(yè)論文--石墨烯及其氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料研究

1、重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 石墨烯的制備及應(yīng)用研究畢 業(yè) 論 文題目 石墨烯的制備及應(yīng)用研究 二級學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 材料科學(xué)與工程專業(yè) 班 級 111090301 學(xué)生姓名 樊朋博 學(xué) 號 11109030105 指導(dǎo)教師 孟范成 時(shí) 間 2015.5.20 目錄摘 要. 2Abstract.31 緒論41.1 石墨烯的簡介41.2 石墨烯的制備方法61.3 石墨烯的應(yīng)用7 1.4 Al2O3陶瓷基復(fù)合材料及其應(yīng)用7 1.5 石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷簡介7 1.6常用的燒結(jié)方法10 1.7納米勃姆石復(fù)合吸附材料的制備方法12 1.8本論文研究目的和內(nèi)容13 2 實(shí)驗(yàn)過程14 2.1制備氧

2、化石墨烯14 2.2球磨混料15 2.3壓片燒結(jié)16 2.4分級結(jié)構(gòu)勃姆石/石墨烯復(fù)合納米材料實(shí)驗(yàn)162.5 材料測試方法183 結(jié)果與分析22 3.1 氧化石墨烯分析22 3.2 石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷分析26 3.3 石墨烯的應(yīng)用分析294 總結(jié)35致 謝36參 考 文 獻(xiàn)37摘 要石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)至今受到了科學(xué)家們尤其是材料界的極大關(guān)注，由于其在力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方面都表現(xiàn)出極大優(yōu)異性，被認(rèn)為在用于材料基體補(bǔ)強(qiáng)劑方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。本文將研究石墨烯溶液與氧化鋁混合，然后再利用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)所得到的新型陶瓷基復(fù)合材料。石墨稀由于其自身高模量和高強(qiáng)度等良好性能，被認(rèn)為是一種非

3、常理想的陶瓷基體補(bǔ)強(qiáng)體。比如在氧化鋁陶瓷基體中添加石墨稀,極大地提高了氧化鋁陶瓷的導(dǎo)電性能、提高了陶瓷的燒結(jié)致密度。本文中我們對含1wt%的氧化石墨烯的氧化鋁復(fù)合陶瓷進(jìn)行了燒結(jié)和分析，通過改變其燒結(jié)工藝發(fā)現(xiàn)復(fù)合陶瓷在不同溫度下燒結(jié)時(shí)在磨損量、致密度、硬度等方面表現(xiàn)出明顯變化，我們對這些變化進(jìn)行了對比分析和總結(jié)。我們分析了石墨烯對材料吸附性的影響，將石墨烯與勃姆石復(fù)合制備出一種新型復(fù)合吸附材料，再以重金屬離子Cr以及有機(jī)染料剛果紅為例，分析了石墨烯勃姆石復(fù)合材料的吸附性能。本試驗(yàn)中用冰浴的方法出制備石墨烯,這種方法相對簡單易操作。石墨烯作為一種新型材料，不僅自身有著優(yōu)異的性能，而且在材料補(bǔ)強(qiáng)體領(lǐng)

4、域也表現(xiàn)出可觀的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：石墨烯、氧化鋁基復(fù)合陶瓷、分散性、勃姆石、吸附性AbstractGraphene was discovered since 2004 has been a great concern to scientists, especially the material world, because of its mechanical, optical, electrical, etc. have shown great superiority, it is considered in terms of material used for the substrate r

5、einforcing agentIt has a very broad application prospects. This article will examine the graphene solution is mixed with alumina, and then use the resulting vacuum sintering technology of new ceramic matrix composites. Graphene due to its good performance of high modulus and high strength, is consid

6、ered to be an ideal ceramic matrix reinforcement body. Such as adding graphene alumina ceramic matrix, which greatly improves the conductivity of alumina ceramic, improved sintering density. In this article we 1wt% containing graphene oxide alumina composite ceramics sintered and analysis, the compo

7、site ceramics sintered at different temperatures show a significant change in the amount of wear, density, hardness, etc. by changing the sintering process found we compared these changes analyzed and summarized.We analyzed the effect of graphene adsorption properties of the material, graphene boehm

8、ite composite prepared a new composite adsorbent material, and then to heavy metal ions and organic dye Congo red Cr example, analyzed boehmite composite graphene adsorption properties of the material. Used in this test method for the preparation of an ice bath graphene, this method is relatively si

9、mple and easy to operate. Graphene is a new material, not only has its own excellent performance, but also in the field of material reinforcement body also showed considerable growth prospects.Keywords: graphene, alumina ceramic matrix composite, dispersion, boehmite, adsorption1 緒論1.1 石墨烯的簡介1.1.1 結(jié)

10、構(gòu)分析石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六邊形晶格的平面薄膜，僅由碳單層組成的二維材料1。石墨烯可想像為由碳原子和其共價(jià)鍵所形成的原子網(wǎng)格。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接有很強(qiáng)的韌性，當(dāng)受到外力作用時(shí)，石墨烯內(nèi)部的碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列以消除外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，正是因?yàn)檫@種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯良好的導(dǎo)熱性能2。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會因晶格缺陷或外來原子入侵而發(fā)生散射。另外由于石墨烯內(nèi)部強(qiáng)大的原子間作用力，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，對內(nèi)部電子運(yùn)行也是影響極小的3。圖1.石墨烯空間結(jié)構(gòu)圖圖2·石墨烯及其所構(gòu)建的富勒烯、碳納米管

11、、石墨1.1.2 性能分析(1)導(dǎo)電性能 常溫下石墨烯的電子遷移率超過15000 cm2/V·s，比碳納米管以及硅晶體都要高，而電阻率只約10-6·cm，比銅和銀還要低，是目前所發(fā)現(xiàn)電阻率最小的材料4。由于石墨烯的電阻率極低、厚度極小，被認(rèn)為在電子元件以及晶體管的發(fā)展方面極具潛力，例如在透明觸控屏幕、光板、太陽能電池板等領(lǐng)域，石墨烯都是目前最為理想的制作材料。(2)量子霍爾效應(yīng) 石墨烯在常溫下可以觀察到量子霍爾效應(yīng)。這個(gè)特性被科學(xué)家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對論量子力學(xué)，沒有靜質(zhì)量”5。(3) 吸光性能 作為單層原子結(jié)構(gòu)的石墨烯因?yàn)槠洫?dú)特電子性質(zhì)造成了石墨烯高不透明度的性

12、質(zhì)，令人驚異。更令人詫異的是，石墨烯的不透明度只與精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)有關(guān)，而精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)通常很少會在材料科學(xué)領(lǐng)域找到它，大多出現(xiàn)于量子電動(dòng)力學(xué)中6，可見石墨烯具有極其優(yōu)異的吸光性能。(4) 場效應(yīng) 曾有人在溫室通過施加電壓于一個(gè)雙閘極雙層石墨烯場效晶體管，石墨烯的能隙可以從0 eV調(diào)整至0.25 eV（大約5微米波長）。通過施加外磁場，石墨烯納米帶的光學(xué)響應(yīng)也可以調(diào)整至太赫茲頻域。因此有人認(rèn)為石墨烯會是理想的自旋電子學(xué)材料7。 (5) 導(dǎo)熱性能 石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)為5300 W/m·K；而碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)一般為3500W/mK，可見石墨烯的導(dǎo)熱性能比碳納米管要好很多。在金屬材料中銀、銅、金

13、、鋁的導(dǎo)熱系數(shù)相對較高，但都遠(yuǎn)不及石墨烯。優(yōu)異的導(dǎo)熱性能使得石墨烯有望成為未來超大規(guī)模納米集成電路的散熱材料。1.2 石墨烯的制備方法 石墨烯的制備方法多種多樣，本次試驗(yàn)中我們采取冰浴氧化法制備氧化石墨烯，然后在燒結(jié)過程中氧化石墨烯會自動(dòng)高溫分解成石墨烯。這里對其他實(shí)驗(yàn)室石墨烯或氧化石墨烯的方法進(jìn)行了簡單概括，然而制備石墨烯的方法并不局限于一下幾種。（1）輕微按摩法 常用的方式是機(jī)械分離法，就是將石墨薄片直接從晶體表面剪裁下來得到石墨烯。在2004年，科學(xué)家通過這種方式進(jìn)行了單層石墨烯的制備 13。也有人曾通過一種膨化材料來摩擦石墨，從而使得石墨表面會出現(xiàn)晶體，這些晶體中就包含了石墨烯，這是一

14、種典型的機(jī)械分離法制備石墨烯的方法。但這種機(jī)械法制備石墨烯的缺點(diǎn)是不容易控制尺寸，并且難以保證其長度。（2）碳化硅外延表面生長法 這種方式就是利用單晶碳化硅加熱的方法來脫除硅，使得石墨烯片層從單晶面上被分離出來。具體操是：將樣片經(jīng)過氫氣或氧氣刻蝕處理，再用高真空電子轟擊法進(jìn)行加熱，從而排除試樣中的氧化物。然后使用俄歇電子能譜進(jìn)行完全移除氧化物，加熱樣品，在溫度達(dá)到設(shè)定值后，形成石墨烯片層8-9。（3）金屬表面生長法 所謂金屬表面生長法，就是在原子結(jié)構(gòu)中生出石墨烯。在設(shè)定溫度下滲入碳原子，冷卻，之后碳原子會大量的浮到金屬表面，整個(gè)滲碳體表面會出現(xiàn)單層碳原子，生長形成石墨烯。（4）化學(xué)氣相沉積法

15、這是一種有效地制備石墨烯的方式，使用這種方式，不需要使用催化劑，在可分解高溫前驅(qū)體氣氛內(nèi)部設(shè)置基底，然后高溫退火使得基底表面沉積一層碳原子得到石墨烯。并且利用前驅(qū)體流量、生長溫度和基底類型，可以控制石墨烯的生長。（5）氧化減薄法 通過對石墨加熱氧化，逐層減薄，從而出現(xiàn)雙層或者單層的氧化石墨烯。很多公司對于氧化石墨烯都十分關(guān)注，并且逐漸研究出更加科學(xué)可靠的方式，優(yōu)化制備方法。（6）切割碳納米管法 這種方式還處于試驗(yàn)階段，就是利用硫酸和錳酸鉀將溶液中碳納米管切開。還有一種方式就是通過等離子體對嵌入聚合物的一部分納米管進(jìn)行刻蝕處理得到石墨烯片層。（7）乙氧鈉裂解法 運(yùn)用鈉金屬還原乙醇，再對還原所生成

16、的乙醇鹽進(jìn)行裂解處理，然后用去離子水清洗以除去鈉鹽，得到石墨烯。這樣制得的石墨烯是粘在一起的，還要通過超聲震蕩分散 9。（8）氧化還原法 在預(yù)先制備的氧化石墨烯中加入純肼溶液，利用這種溶液，就能將預(yù)先制備的氧化石墨烯還原得到石墨烯。1.3 石墨烯的應(yīng)用 石墨烯的許多優(yōu)良特性使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文中我們只對石墨烯的部分應(yīng)用進(jìn)行了概括性的描述：（1）石墨烯本身表現(xiàn)出來的的電子結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)特性,使得它在聚合物復(fù)合材料應(yīng)用及其廣泛。優(yōu)良的電學(xué)性能使其在透明電極和染料敏化電極場發(fā)射半導(dǎo)體材料、傳感器等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)重要應(yīng)用。（2）石墨烯由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能,很有可能會帶來一場電子工業(yè)的

17、革命,替代硅成為最理想的納米光電器件材料。石墨烯中的電子有著非常驚人的運(yùn)動(dòng)速度,約為光速的1/300倍,而且在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量也極少9-10。所以如果將石墨稀運(yùn)用到微計(jì)算機(jī)處理器中,難以想象計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度將有多高。（3）有人用石墨烯制作出低噪音晶體管,這種晶體管其實(shí)是由兩層石墨稀構(gòu)成,這種雙層石墨烯結(jié)構(gòu)的晶體管如同聲音的阻隔器一樣,低噪音石墨烯晶體管的出現(xiàn)極大的推動(dòng)了實(shí)用半導(dǎo)體器件的發(fā)展 10。（4）同時(shí)在儲氫、燃料電池和太陽能電池等領(lǐng)域中石墨烯也表現(xiàn)出了誘人的應(yīng)用價(jià)值。例如在燃料電池的配置中,石墨稀用作催化劑的載體。石墨烯具有非常高的比表面積,它還可以促進(jìn)電子和孔洞沿著二維表面的傳輸,

18、因此在可充電的鋰離子電池和電化學(xué)雙層電容器方面也很大的應(yīng)用空間。1.4 Al2O3陶瓷基復(fù)合材料及其應(yīng)用1.4.1 陶瓷粉體的制備制備粉體是陶瓷材料加工的第一步。粉體的制備方法有很多種，主要分為物理制備法和化學(xué)合成法。物理制備法又包括：機(jī)械粉碎法、霧化法（熔融液體或高濃度溶液）、氣化或蒸發(fā)-冷凝法等，在制粉過程中一般只發(fā)生物態(tài)變化不發(fā)生化學(xué)變化，物理制備法可適用于各類材料粉末的制備；化學(xué)合成法是由離子、原子、分子通過化學(xué)反應(yīng)成核和成長得到粉體顆粒，然后進(jìn)行相應(yīng)處理得到所需粒度的粉體。處理之后的粉體顆粒均勻性好，純度較高，并且可以實(shí)現(xiàn)粉體在分子水平上的復(fù)合、均化13。本實(shí)驗(yàn)中主要采用行星球磨物理

19、制備法，具體操作如下：將一定量的石墨烯加入到溶劑中，超聲震蕩分散5-8小時(shí)，超聲分散后稱量一定量的氧化鋁粉體與超聲震蕩所得的石墨烯懸浮液混合，并將混合液移入聚四氟乙烯球磨灌中進(jìn)行球磨混料9-12小時(shí)。然后60烘干研磨得到石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷粉體。1.4.2 Al2O3陶瓷簡介隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的提高, Al2O3陶瓷以其優(yōu)良的性能在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用，Al2O3陶瓷是目前應(yīng)用最廣，用量最大的氧化物陶瓷材料。Al2O3陶瓷有著強(qiáng)度高、耐高溫、電絕緣性能好、介電損耗低、耐腐蝕、抗氧化、無毒、燒結(jié)工藝簡單、原料分布廣、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)良特性，是目前陶瓷材料用最

20、為廣泛的一種。但是由脆硬性較大的缺點(diǎn),極大地限制Al2O3陶瓷在許多領(lǐng)域的應(yīng)用推廣10-15。1.4.2 Al2O3陶瓷的應(yīng)用（1）在機(jī)械方面的應(yīng)用 如耐磨Al2O3陶瓷襯磚、襯板、襯片, Al2O3陶瓷釘, 陶瓷密( Al2O3陶瓷球閥) , Al2O3陶瓷切削刀具, Al2O3陶瓷柱塞等8。（2）用于電子、電力方面 如各種基于Al2O3陶瓷高硬度性能的Al2O3陶瓷底板、基片、陶瓷膜，基于Al2O3陶瓷透光性的高壓鈉燈透明Al2O3陶瓷以及各種基于Al2O3陶瓷絕緣功能的Al2O3陶瓷器件，并且在電子材料, 磁性材料等領(lǐng)域應(yīng)用也極為廣闊。（3）化工方面 有Al2O3陶瓷化工填料球, Al2

21、O3陶瓷微濾膜, Al2O3陶瓷耐腐蝕涂層等。（4）醫(yī)學(xué)方面 利用其化學(xué)穩(wěn)定性良好的性能，可以制作Al2O3陶瓷人工骨骼, 羥基磷灰石涂層多晶Al2O3陶瓷人工牙齒、人工關(guān)節(jié)等。（5）在建筑衛(wèi)生陶瓷方面的應(yīng)用 例如在球磨機(jī)Al2O3陶瓷襯磚、微晶耐磨Al2O3球石等方面都有廣泛應(yīng)用, Al2O3陶瓷輥棒、Al2O3陶瓷保護(hù)管以及各種由Al2O3結(jié)合其他材質(zhì)所復(fù)合而成的耐火材料的應(yīng)用都極其廣泛17。（6）其他方面 Al2O3陶瓷由于其具有良好機(jī)械性能和化學(xué)性能，除了在以上領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用以外還可用于鉑金坩堝代用品、催化載體及航空、磁流體發(fā)電材料等。它在紡織、煤礦、石油、化工、電力及建筑等各個(gè)行業(yè)

22、的應(yīng)用也極為頻繁。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的提高，對氧化鋁陶瓷性能的要求越來越高并且趨向于多元化，氧化鋁石墨烯復(fù)合陶瓷材料應(yīng)韻而生。1.5 石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷簡介本次試驗(yàn)中我們將石墨烯與氧化鋁混合制備出了一種性能優(yōu)良的新型陶瓷材料，石墨烯本身具有許多良好特性，將它經(jīng)過超聲分散在Al2O3陶瓷粉體中然后壓樣燒結(jié)，石墨烯的高模量和高強(qiáng)度等性能能使其成為陶瓷基復(fù)合材料良好補(bǔ)強(qiáng)體。美國MONIKER公司的科學(xué)家們曾在陶瓷基體中參入石墨烯，陶瓷本是絕緣體，但因?yàn)榧尤肓耸┍愠蔀榱己玫膶?dǎo)電材料18。另外Graphenea還發(fā)現(xiàn)，在加入僅0.22%份量的石墨烯后，陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度和防止裂紋增

23、殖的性能便提高了50%還要多19；而新制備的復(fù)合陶瓷其他方面的性能與未添加石墨烯的陶瓷相比，沒有明顯變化。將微量石墨烯摻入氧化鋁的最大優(yōu)勢在于保持陶瓷其他性能不受影響的前提下，導(dǎo)電性、抗拉強(qiáng)度、機(jī)械性能的大大改善。而傳統(tǒng)的改善材料的某一特定性能的手段在摻入另一種物相時(shí)，不可避免會給原有材料的其它性能帶來不利影響并導(dǎo)致其它性能也發(fā)生變化。各項(xiàng)研究表明石墨烯在對改造氧化鋁陶瓷性能方面極具潛力，然而在研究過程中還存在諸多問題：在分散過程中，石墨烯由于其自身結(jié)構(gòu)特性，使得其分子間存在很強(qiáng)的分子間作用力，各片層極難分散在溶液里，與其他材料也很難均勻的復(fù)合在一起20。石墨烯的優(yōu)異性能也就很難得到充分發(fā)揮，

24、這就為石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷的研究造成了很大困擾。另外石墨烯的高溫易氧化和遇鋼水易溶解的特性，會使得其復(fù)合材料隨之被侵蝕或失效。然而石墨烯易發(fā)生團(tuán)聚不易大量制備的缺陷也極大的阻礙了其應(yīng)用和發(fā)展。1.6 常用的燒結(jié)方法陶瓷的燒結(jié)方法主要包括：常壓燒結(jié)、氣氛常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)法等。（1）常壓燒結(jié) 常壓燒結(jié)就是在大氣壓力下燒結(jié)，由于暴露在普通空氣氣氛中燒結(jié)，所以制品中難免會產(chǎn)生氣孔，在制備傳統(tǒng)陶瓷材料時(shí)大多都用此工藝燒結(jié)，在制備工程陶瓷，特別是氧化物材料時(shí)也會經(jīng)常用到常壓燒結(jié)。相比于其他的燒結(jié)方法，常壓燒結(jié)的成本最低，并且有利于大規(guī)模生產(chǎn)。但常壓燒結(jié)有時(shí)也得考慮燒結(jié)氣氛的影響，例如在采用黏土

25、等天然原料燒結(jié)時(shí)，坯體中發(fā)生的氧化、分解等反應(yīng)也是影響燒結(jié)產(chǎn)物質(zhì)量的重要因素，這樣就需要保持壓力不變?nèi)デ闆r下改善燒結(jié)氣氛。（2） 氣氛常壓燒結(jié) 氣氛常壓燒結(jié)就是將原料置于氮?dú)?、氬氣等惰性氣體氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，這樣就不至于使得氧化物系陶瓷在燒結(jié)過程中被氧化。氣氛常壓燒結(jié)法可以適當(dāng)提高壓力但燒結(jié)溫度基本保持不變。有的陶瓷材料中含有易揮發(fā)成分，為了防止因材料成分揮發(fā)而導(dǎo)致其質(zhì)量下降，通常用一種與燒結(jié)材料具有相同成分的物質(zhì)將其完全覆蓋或包裹，這樣其易揮發(fā)成分就會減少損失，保證了材料組成的穩(wěn)定性。（3） 熱壓燒結(jié)法 熱壓燒結(jié)就是在燒結(jié)過程中對溫度和壓力同時(shí)可控可調(diào)的一種燒結(jié)方法。這種方法燒結(jié)所得的制品的氣

26、孔率很低，同時(shí)也具有比較優(yōu)良的機(jī)械性能、電學(xué)性能。熱壓燒結(jié)提供了簡單可控的操作系統(tǒng)，在研究燒結(jié)工藝對燒結(jié)制品的影響時(shí)極具優(yōu)勢。一般熱壓燒結(jié)（hot-pressing,HP） 熱壓燒結(jié)就是：為了使燒結(jié)更加迅速材料迅速致密化，在燒結(jié)過程中根據(jù)制品自身所能承受載荷的能力或?qū)嶒?yàn)所需調(diào)節(jié)壓力（一般控制在10-40MPa之間）。熱壓燒結(jié)溫度可以根據(jù)燒結(jié)對象要求而定，一般要比常壓燒結(jié)低出100左右14-15。普通熱壓裝置以電加熱、機(jī)械加壓方式最為多見。Al2O3模具可以在氧化氣氛下使用，熱壓壓力可達(dá)到幾百兆帕。熱壓燒結(jié)獲得的制品密度可達(dá)理論密度的99%以上，相比于常壓燒結(jié)所得制品的致密度要高出很多，而且在其

27、他性能上也有所提高；但熱壓燒結(jié)的效率較低，因?yàn)樵跓Y(jié)過程中磨具始終伴隨制品加熱、保溫、冷卻，所以只能單件生產(chǎn)大大限制了生產(chǎn)效率；而且熱壓燒結(jié)只能生產(chǎn)形狀簡單的制品，很難大規(guī)模生產(chǎn)，成本較高。熱等靜壓燒結(jié)（hot isostatic pressing, HIP）熱等靜壓燒結(jié)就是保持壓力恒定不變的情況下，將壓制成片或包裹后的粉體材料高溫?zé)Y(jié)至其流動(dòng)、重排、致密化的過程。熱等靜壓燒結(jié)式將熱等靜壓成型與燒結(jié)相結(jié)合的燒結(jié)技術(shù)。熱等靜壓燒結(jié)可以有效地消除材料內(nèi)部殘存微量孔隙和提高材料密度，強(qiáng)化了壓制和燒結(jié)過程。熱等靜壓燒結(jié)適合制作形狀較復(fù)雜的制品，而且材料的性能隨著制品密度均勻性的改善而提高，比一般冷壓燒

28、結(jié)的制品強(qiáng)度可提高30%50%，比一般熱壓燒結(jié)可提高10%15%，這種極大地提高了燒結(jié)精準(zhǔn)度，使得燒結(jié)制品的各個(gè)方面的性能更加優(yōu)異，一般性能要求高的產(chǎn)品均需采用此種工藝17-19。但是由于熱等靜壓燒結(jié)時(shí)胚體與模具始終伴隨，所以對模具的選材就有一定的要求，比如模具材料不可與制品材料反應(yīng)、模具材料在燒結(jié)溫度下不可軟化變形等，極大地限制了模具材料的選擇范圍。常采用的有：耐高溫金屬（不銹鋼、Ti、Ta等）和石英玻璃。后者利用在高溫條件下形成黏度很高的玻璃，緊覆于坯體表面，使之均勻受壓達(dá)到燒結(jié)，而冷卻時(shí)由于與坯體膨脹系數(shù)的差別可自行碎裂，除去較方便。為了解決包裝密封難題，最近又發(fā)展起一種先燒結(jié)后等靜壓的

29、工藝，即所謂Sinter-HIP工藝。即先將材料用一般燒結(jié)方法燒結(jié)到理論密度93%以上以消除材料的開口氣孔，然后在熱等靜壓條件下進(jìn)一步燒結(jié)致密化。這兩個(gè)步驟可以單獨(dú)進(jìn)行，也可以在特殊設(shè)計(jì)的爐子中分階段實(shí)施。（4） 反應(yīng)燒結(jié)法 反應(yīng)燒結(jié)法就是在燒結(jié)過程中使得制品在氣體氣氛或溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而得到目的產(chǎn)品。例如用反應(yīng)燒結(jié)法燒結(jié)碳化硅（RBSC）和氮化硅（RBSN）就是兩個(gè)反應(yīng)燒結(jié)的典型例子。反應(yīng)燒結(jié)法可以燒結(jié)出純度極高且尺寸誤差極小的制品，因此反應(yīng)燒結(jié)法被常用于精準(zhǔn)的形狀較復(fù)雜的制品燒結(jié)。隨著工程陶瓷材料的不斷發(fā)展，燒結(jié)工藝方法也越來越多樣。1.7 納米勃姆石復(fù)合吸附材料的制備方法目前國內(nèi)外納

30、米勃姆石復(fù)合吸附材料的制備方法主要集中于液相法，大體可以分為水熱法、溶膠-凝膠法、共沉淀法等。依據(jù)成功制備出復(fù)合納米材料所進(jìn)行的反應(yīng)次數(shù)，可分為一步法和多步法。（1）一步法 我們將這種通過一次反應(yīng)就能得到復(fù)合材料的方法稱作一步法。一步法是將兩種或兩種以上分散相在一次反應(yīng)中同時(shí)制備出來，并通過某種結(jié)合方式（靜電吸附、化學(xué)吸附等）形成納米勃姆石復(fù)合吸附材料。（2）多步法 為了合成出不同結(jié)構(gòu)和吸附效果更好的復(fù)合納米材料，往往需要多種制備方法先后使用，例如水熱法-水熱法、沉淀法-水熱法、靜紡電法-水熱法、水熱法-溶膠-凝膠法等，我們將這種通過兩次或以上反應(yīng)制備復(fù)合材料的方法稱作多步法。即通過多次反應(yīng)、

31、分批次地制備出不同相，每種相同樣也會通過某種相互作用相互結(jié)合成復(fù)合納米材料的方法，制備核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料多采用這種方法。多步法往往是先通過水熱法制備出基體材料，再通過液相法（如水熱法、沉淀法、溶膠-凝膠法）將第二相復(fù)合到基體材料，從而制備復(fù)合納米吸附材料。綜上所述，納米勃姆石復(fù)合吸附材料的制備已經(jīng)取得一定程度進(jìn)展，其在吸附方面的性能也得得到了證實(shí)。例如，對重金屬離子（如As()、Cd()）、F-的吸附效果得到了提升等。納米勃姆石復(fù)合吸附材料的吸附效率與其比表面積、孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)、第二相以及制備方法有關(guān)，但相關(guān)研究報(bào)道很是很少。同時(shí)文獻(xiàn)報(bào)道存在矛盾，有的納米勃姆石復(fù)合吸附材料對微污染物的吸附

32、效果提高了，而有的則沒有改善吸附效率，研究不系統(tǒng)。所以對納米勃姆石復(fù)合吸附材料的制備及其性能研究仍有很大的空間和意義。1.8 本論文研究目的和內(nèi)容本次實(shí)驗(yàn)通過多種方法制備石墨烯，并分別將不同方法制備的石墨烯與氧化鋁混合得到新型復(fù)合陶瓷，進(jìn)一步擴(kuò)展了石墨烯的研究和應(yīng)用范圍。通過研究不同燒結(jié)工藝對石墨烯AI2O3復(fù)合陶瓷材料摩擦磨損、硬度、致密度、物相組成和微觀組織的影響規(guī)律，在提高AI2O3基陶瓷材料力學(xué)性能的同時(shí)，對氧化鋁基陶瓷材料的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，減少了AI2O3基陶瓷材料燒結(jié)能耗、縮短制備了周期、從而降低生產(chǎn)成本。其不同的補(bǔ)強(qiáng)作用機(jī)理，為進(jìn)一步研究石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷材料以及提高AI2O

33、3基陶瓷材料的力學(xué)性能提供了一定的理論指導(dǎo)。其次我們還通過控制石墨烯的制備方法，在不同燒結(jié)工藝條件下燒結(jié)制備石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷材料，并對其進(jìn)行測試分析，對于促進(jìn)AI2O3基陶瓷材料的發(fā)展同樣具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)中，我們還成功制備出了核桃狀分級結(jié)構(gòu)-AlOOH/石墨烯的復(fù)合材料，并研究了所制備核桃狀-AlOOH/石墨烯復(fù)合吸附材料對有機(jī)染料剛果紅和重金屬離子Cr(VI)的吸附特性。吸附反應(yīng)過的程中氧化石墨烯的加入量對最終產(chǎn)物形貌和物相有很大的影響：只有在氧化石墨烯的加入量在1%和2.5%時(shí)，所得產(chǎn)物才為分級結(jié)構(gòu)-AlOOH與石墨烯的復(fù)合產(chǎn)物；而當(dāng)加入量高于5%時(shí)，復(fù)合材料則

34、變成了無規(guī)則的-AlOOH與石墨烯復(fù)合，且合成的納米-AlOOH質(zhì)量太少不足抑制片層結(jié)構(gòu)的二次堆垛。通過研究所制備的復(fù)合材料對重金屬離子Cr(VI)和有機(jī)染料剛果紅的吸附性能發(fā)現(xiàn)：含有1%石墨烯的核桃狀分級結(jié)構(gòu)-AlOOH/石墨烯復(fù)合材料的吸附性能最好，最大吸附質(zhì)量分別為41.74 mg/g（pH=2）和99.2mg/g，都高于單相核桃狀分級結(jié)構(gòu)-AlOOH對Cr(VI)（35.86 mg/g，pH=2）和剛果紅（97.15mg/g）的吸附性能。2 實(shí)驗(yàn)過程2.1制備氧化石墨烯2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備DHG-9035A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、CP114電子天平、TG16-WS高速離心機(jī)、JB-150H

35、電磁攪拌器。2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟本次試驗(yàn)采用了三種不同方法制備氧化石墨烯，分別是：Hummers法、Staudenmaier法、Brodie法，然后對三種方法所制得的氧化石墨烯進(jìn)行測試、分析、對比，找出最理想的一種作為氧化鋁陶瓷基以及勃姆石吸附材料的補(bǔ)強(qiáng)劑，再進(jìn)行分析研究。（1）第一種是Hummers法。取3g 石墨放進(jìn)80°C濃H2SO4（20mL）、K2S2O8（2.5g）和P2O5(2.5g)的混合溶液，保溫4.5h；將上述溶液降至室溫，用0.5L去離子水稀釋，隔夜放置；過濾（0.22m微孔濾膜），然后用去離子水洗過濾后的產(chǎn)物（除酸）；將上步的產(chǎn)物隔夜放置烘干；第4步產(chǎn)物放進(jìn)0

36、°C的濃H2SO4（120mL）；接著將15g KMnO4慢慢加入上述溶液中，同時(shí)攪拌，并且冰浴，保持溫度在20°C以下；然后在35°C下攪拌2h，然后用250mL去離子水稀釋（因?yàn)橛盟♂寱r(shí)會放出大量的熱，在冰浴中可以保持溫度在50°C以下）；將250mL水加完以后，接著攪拌2h,然后加0.5L去離子水；然后加20mL 30% 的H2O2，這時(shí)溶液的顏色將變成明亮的黃色，并且冒氣泡；得到的溶液靜置一夜，之后將上清液倒掉，將上述溶液用1：10 的HCl溶液（1L）洗滌（除硫酸根離子），接著用去離子水（1L）洗至中性（除酸）；在洗滌過程中加入清水，等上清液

37、澄清時(shí)，在將其上清液傾倒。如此反復(fù)幾次后，于40下真空干燥，干燥后，加入少許水，再次將樣品洗滌至中性，在40下再次烘干，即得氧化石墨烯樣品，稱取一定量配成濃度為0.05%的溶液，超聲30 min得氧化石墨烯片。（2）第二種是Staudenmaier法。將三口燒瓶、攪拌槳以及電動(dòng)攪拌器矯正連接，將三口燒瓶侵入冰水混合物中，稱量3g石墨粉，分別量取90mL濃硫酸和45mL濃硝酸，以及35g氯酸鉀。將所稱量的濃酸導(dǎo)入三口燒瓶攪拌10min混合均勻，再加入所稱量的石墨粉，繼續(xù)攪拌10min，以每隔5min加入5g氯酸鉀的速度加完所稱量的氯酸鉀，反應(yīng)攪拌96h。將所得混合懸濁液離心清洗。先用0.1mol

38、·L-1的稀鹽酸離心，除去混合液中的硫酸根離子，用氯化鋇溶液進(jìn)行檢測；其次用去離子水將懸濁液水洗至中性。將氧化石墨烯漿體平攤于大小適當(dāng)?shù)谋砻婷笾校?0干燥24h，研磨得到氧化石墨粉，然后進(jìn)行超聲分散。（3）第三種方法是Brodie法。在燒杯中加入80mL濃硝酸，然后加入3g石墨，分散均勻，然后緩慢加入30g氯酸鉀，攪拌21小時(shí)。用去離子水將懸濁液水洗至中性，在烘干爐烘干得到氧化石墨烯。圖3 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖2.2球磨混料2.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備QM-3SP04行星式球磨機(jī)、4F球筒、瑪瑙球、DHG-9035A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、CP114電子天平、KQ5200B超聲波清洗器。2.2.

39、2實(shí)驗(yàn)步驟（1）取按照0.5-4wt%的比例稱量氧化石墨烯并加入酒精或去離子水，進(jìn)行超聲震蕩分離成懸濁液。（2）稱量35gAl2O3粉末加入氧化鋁石墨烯懸濁液中，因?yàn)檠趸┳陨硖匦韵拗?，不易大量制備，所以市場上很難購買，要使用實(shí)驗(yàn)室自己制備的石墨烯。（3）將稱量好比例的粉末混合倒入4F球筒中，并加入適量瑪瑙球，然后倒入適量的去離子水。（4）將4F球筒封好放入行星式球磨機(jī)中，30HZ，387r/min，8小時(shí)。（5）將磨好的樣品放入60干燥箱中干燥。2.3 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備CP114電子天平、FW-4A型壓片機(jī)、真空熱壓燒結(jié)爐。 2.3.2實(shí)驗(yàn)步驟 （1）取出之前干燥好的氧化石墨

40、烯/氧化鋁混合物，并研磨成細(xì)粉；（1）稱量35.5g氧化石墨烯/氧化鋁復(fù)合粉體壓制成片。（3）在不同的燒結(jié)制度下進(jìn)行燒結(jié)，如下表所示。氧化石墨烯樣品比例燒結(jié)壓力燒結(jié)溫度保溫溫度保溫時(shí)間0、0.5wt%、1wt%、4wt%30MP1200、1300、14001200、1300、14001h0、0.5wt%、1wt%、4wt%30MP1200、1300、14001200、1300、14001h0、0.5wt%、1wt%、4wt%30MP1200、1300、14001200、1300、14001h2.4 分級結(jié)構(gòu)勃姆石/石墨烯復(fù)合納米材料實(shí)驗(yàn)2.4.1 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)過程中所用儀器和設(shè)備，如表2.4.

41、1所示：表2.4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其規(guī)格儀器及設(shè)備名稱規(guī)格型號生產(chǎn)廠家聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜HCF-21鄭州杜甫儀表廠恒溫加熱磁力攪拌器DF-101S鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司磁力攪拌器JB-150H上海創(chuàng)發(fā)儀器恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9035A上海齊欣科學(xué)儀器有限公司臺式高速離心機(jī)TG16-WS長沙湘儀精密電子天平CP114奧豪斯儀器低溫馬弗爐SX2-6-10武漢電廬實(shí)驗(yàn)電爐廠紫外可見分光光度計(jì)UV-1240日本島津超聲波清洗器KQ5200B昆山市超聲儀器有限公司2.4.1 實(shí)驗(yàn)過程本實(shí)驗(yàn)采用水熱法制備分級結(jié)構(gòu)勃姆石與石墨烯復(fù)合納米材料。稱取一定量鋁源和一定量的沉淀劑溶于一定體積的溶劑中，同時(shí)按質(zhì)量

42、百分比加入一定體積的分散好的1mg/ml氧化石墨烯水溶液。在常溫下使用磁力攪拌器攪拌成約2h后，將溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，放置于恒溫干燥箱中加熱到一定溫度（150-180），保溫不同時(shí)間（0.5-12h）后關(guān)閉干燥箱，待反應(yīng)釜冷卻至室溫，將所得沉淀物用去離子水和無水乙醇分別離心洗滌3次，最后將其產(chǎn)物置于80下的干燥箱中干燥24h后，便制備得到了復(fù)合納米材料。（1）制備實(shí)驗(yàn)：復(fù)合材料的制備過程是在前文中制備核桃狀-AlOOH分級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。首先在保證反應(yīng)溶劑總體積50ml不變的情況下，稱取2.6mmol硝酸鋁和1.6mmol尿素加入一定體積分散好的1mg/ml氧化石墨烯水溶液中，然后將溶

43、劑體積用蒸餾水稀釋到50ml。在常溫下使用磁力攪拌器攪拌約2h后，將溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，放置于150恒溫干燥箱并保溫6h，反應(yīng)結(jié)束后待其冷卻至室溫，將所得沉淀物用去離子水和乙醇離心洗滌若干次，最后在80下真空烘干24h后，便制備得到復(fù)合納米材料，制備所得樣品。（2）吸附實(shí)驗(yàn)：在室溫下，取0.05g、0.1g復(fù)合納米材料產(chǎn)物分別加入50ml、100ml的50mg/L的重鉻酸鉀溶液、100mg/L的剛果紅溶液中。持續(xù)攪拌90min上述溶液，并每隔2、5、10、15、30、60、90min吸附時(shí)間后，取出4ml混合溶液，用離心機(jī)將吸附物分離出來，吸取上層溶液。上層溶液的吸光度采用紫外-可見光分光

44、光度計(jì)測定，并計(jì)算出對應(yīng)的吸附質(zhì)量。2.5 材料測試方法2.5.1 密度測定本實(shí)驗(yàn)使用天平測定樣品密度，具體步驟如下：（1）懸掛溫度計(jì)于燒杯壁上；（2）放置燒杯到容器支架中心位置；（3）將已知密度的參考液體（通常為水或者乙醇）注入燒杯，確保待測固體能被液體完全浸沒1cm以上；（4）裝置好稱量天平并保證無氣泡進(jìn)入天平內(nèi)；（5）關(guān)閉防風(fēng)門并去除皮重；（6）打開天平門，放入樣品后關(guān)閉天平門，待數(shù)字穩(wěn)定后記錄顯示結(jié)果A;（7）打開天平門取出待測物，關(guān)閉天平門并去皮重；（8）打開天平門，將樣品放置在稱量板上，此過程不能有氣泡帶入；（9）關(guān)閉天平門，待待密度顯示值不再變化時(shí)記錄顯示結(jié)果B;（10）根據(jù)密度

45、計(jì)算公式計(jì)算待測固體密度。密度公式為： 試中： 待測物體密度； A=待測物體在空氣中中的質(zhì)量； B=待測物體在輔助夜中的質(zhì)量； o 輔助液體密度； l 空氣密度（0.0012g/cm3）.式中：A%、B%、C%、D%為復(fù)合材料成分各組元的質(zhì)量百分含量；A、B、C、D理論密度(g/cm3)。 相對密度d的計(jì)算公式為：2.5.2顯微硬度測試本次試驗(yàn)所用的顯微硬度計(jì)是HVS-1000自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)，硬度標(biāo)尺為HV1，加載時(shí)間為15s.圖5 HVS-1000自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)2.5.3 摩擦磨損測試通過摩擦磨損試驗(yàn)以比較各個(gè)式樣的耐磨性優(yōu)劣。其步驟如下：1.先用去離子水在超聲震蕩中清洗，除去表面殘

46、留物。2.將清洗之后的樣品安裝在球夾具中，并固定于摩擦試驗(yàn)機(jī)。3.測試試樣的表面粗糙度。4.用雙面膠把圓盤固定于摩擦試驗(yàn)機(jī)。5.在實(shí)驗(yàn)載荷和速度下，開動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。6.試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到給定時(shí)間時(shí)，關(guān)掉電動(dòng)機(jī)，卸去載荷取出試樣，并清洗試樣。7.用顯微鏡測量試樣上磨痕規(guī)格，并取平均值得到磨損量。2.5.4 X射線衍射分析X射線衍射是根據(jù) X射線在不同的結(jié)構(gòu)晶體內(nèi)的衍射結(jié)果，利用X射線衍射法可以精確的測定晶體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)定性、點(diǎn)陣常熟和定量分析，主要用途為未知樣品中一種和多種物相的鑒定、混合樣品中已知相定量分析、晶體結(jié)構(gòu)分析、非常規(guī)條件下的晶體結(jié)構(gòu)變化（高溫、低溫條件）、材料表面分析和金屬材料織構(gòu)

47、、應(yīng)力分析。本次實(shí)驗(yàn)所采用的X光衍射儀為丹東方圓儀器有限公司生產(chǎn)的型號為DX-2500的X射線衍射儀，衍射條件為Cu靶，管電壓為1060KV，管電流為580mA。試樣采用粉末樣，通過X射線衍射儀可以觀察陶瓷是否發(fā)生相變。2.5.5掃描電鏡分析掃描電鏡分析主要用于樣品的端口形貌特征、顯微組織觀察。圖4·實(shí)驗(yàn)室用SEM2.5.6 傅立葉變換紅外光譜分析采用美國Thermo Electron Scientific Instruments公司的Nicolet6700型傅里葉變換紅外光譜儀對所得產(chǎn)物進(jìn)行表征，測試條件為：掃描范圍為500-3000cm-1、掃描溫度為室溫、溴化鉀壓片。2.2.6

48、 拉曼光譜分析利用雷尼紹（中國）的INVIA型RENISHAW激光拉曼光譜儀，測試掃描范圍為100-3000cm-1。3 結(jié)果與分析3.1 氧化石墨烯分析本實(shí)驗(yàn)中主要通過了Brodie法、Hummers法、Staudenmaier法三種不同的方法制備氧化石墨烯，然后進(jìn)行分析對比，找出性能最好、品質(zhì)最為優(yōu)異的一種與氧化鋁和分級勃姆石混合得到復(fù)合材料。3.1.1 氧化石墨烯的紅外分析圖譜特征峰對照表：吸附位置/cm-1歸屬官能團(tuán)3408吸附水的-OH伸縮振動(dòng)吸收峰1724羧基的C=O伸縮振動(dòng)吸收峰1624sp2雜化中的C=C振動(dòng)吸收峰1401羥基（-OH）的變形振動(dòng)吸收峰1220C-O-C伸縮振動(dòng)

49、吸收峰1053C-O伸縮振動(dòng)吸收峰表3.1.1氧化石墨烯的FT-IR特征峰表 Hummers法制備的氧化石墨烯紅外分析圖 Brodie法制備出的氧化石墨烯紅外分析圖Staudenmaier法制備的氧化石墨烯紅外分析圖從圖中我們可以觀察到清晰的紅外吸收峰，它們代表氧化石墨烯所含有的不同官能團(tuán)的特征峰，如表3.1.1所示hummer氧化法成功了制備出了片層狀、帶有羥基、羧基、環(huán)氧基等基團(tuán)的氧化石墨烯；另外可以從分析圖譜中觀察出對三種方法所制備的氧化石墨烯進(jìn)行紅外測試對比分析可得，Hummers法制備出的氧化石墨烯氧化程度最高，氧化程度高就相當(dāng)于在單層石墨片層間引入了官能團(tuán)，這樣就有效地緩解了石墨烯

50、易團(tuán)聚的問題，在后續(xù)的分散過程中更為有利。3.1.2 透射電子顯微分析為了確定我們通過改進(jìn)的hummers制備出來的產(chǎn)物是氧化石墨烯，對所得產(chǎn)物進(jìn)行了拉曼光譜分析、紅外光譜分析和TEM形貌表征。 圖4.1 氧化石墨烯的TEM圖圖4.1為采用改進(jìn)hummer氧化法制備得到氧化石墨烯的TEM圖。觀察圖可知，氧化石墨烯在水溶液中超聲后，呈片層狀結(jié)構(gòu)鋪展，且在表面和邊緣部分出現(xiàn)了褶皺。另外，片層整體透明，這說明所制備的氧化石墨烯很薄，已經(jīng)達(dá)到納米級。3.1.3 拉曼散射分析Hummers法制備氧化石墨烯的拉曼散射分析圖譜Raman光譜是一種無損的、快速的、常用的表征碳材料比較有效的方法，主要用于表征石

51、墨烯、金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管等碳原子所構(gòu)成的各類材料，Raman光譜分析法是用來區(qū)分這類碳基材料之間的結(jié)構(gòu)特征的。本次實(shí)驗(yàn)中用Raman光譜來分析與表征石墨烯及其衍生物是一種非?？扇〉氖侄?。圖4.2為采用改進(jìn)hummer氧化法制備得到的氧化石墨烯的拉曼光譜圖。從圖可知，氧化石墨烯分別在1340 cm-1和 1580 cm-1處出現(xiàn)了兩個(gè)特征峰，它們分別對應(yīng)于氧化石墨烯的D峰和 G峰。其中，D峰代表了碳材料中存在的無序結(jié)構(gòu)，這說明在氧化石墨烯制備過程中，石墨經(jīng)氧化后其有序結(jié)構(gòu)已被破壞，即石墨烯中的缺陷所引起的。表示碳材料結(jié)構(gòu)的對稱性和結(jié)晶度。G峰則對應(yīng)于布里淵區(qū)域中心的E2g聲子振動(dòng)，經(jīng)

52、過拉曼分析可得知由Hummers法所制得的氧化石墨烯純度較高，符合實(shí)驗(yàn)要求，是一種理想制備方法。3.1.4 綜合和對照分析分別經(jīng)過對Brodie法、Hummers法、Staudenmaier法三種不同的方法所制備得到的氧化石墨烯對比分析可得，Hummers法所制備得到的氧化石墨烯更符合本次實(shí)驗(yàn)要求。Hummers法所制備得到的氧化石墨烯呈深綠色，在經(jīng)過去離子水清洗之后呈黑色，在超聲分散過程中相比于Brodie法、Staudenmaier法所制備的氧化石墨烯更易達(dá)到分散要求。通過這種方法所制得的氧化石墨烯氧化程度更高、分散性能更好、在氧化鋁和分級勃姆石中分布更加均勻，綜合性能也比其他兩種方法所得

53、到的氧化石墨烯要好很多。Brodie法制備的石墨烯懸浮液底部還沉淀了大量石墨，經(jīng)過水洗之后得到的氧化石墨烯量相當(dāng)?shù)纳?；Staudenmaier法制備時(shí)攪拌時(shí)間過長大約需連續(xù)攪拌96h，而且在攪拌過程中放出大量有毒氣體（據(jù)推測可能是氯氣）；只有Hummers法在制過程不會放出有毒氣體，而且制備時(shí)間適中，得到氧化石墨烯的量也比較多，并且相比之下更容易分散。鑒于以上對比分析的結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)采用了Hummers法所制備得到的氧化石墨烯作為主要參料制備氧化鋁基復(fù)合材料以及分級勃姆石基復(fù)合材料并進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。3.2 石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷材料分析3.2.1 工藝簡介工藝1：用真空熱壓燒結(jié)爐在30MPa

54、壓力下升溫至1200，保溫1小時(shí)。工藝2：用真空熱壓燒結(jié)爐在30MPa壓力下升溫至1300，保溫1小時(shí)。工藝3：用真空熱壓燒結(jié)爐在30MPa壓力下升溫至1400，保溫1小時(shí)。3.2.2 拉曼分析法圖3.2.2 1wt%石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷材料拉曼分析圖譜由拉曼分析可得，在1wt%的氧化石墨烯、AKP50、30MPa、1400環(huán)境下燒結(jié)所得的石墨烯氧化鋁復(fù)合材料中明顯有石墨烯峰的存在。氧化石墨烯分別在1340 cm-1和 1580 cm-1處出現(xiàn)了兩個(gè)特征峰，它們分別對應(yīng)于氧化石墨烯的D峰和 G峰。其中，D峰代表了碳材料中存在的無序結(jié)構(gòu)，這說明在氧化石墨烯制備過程中，石墨經(jīng)氧化后其有序結(jié)構(gòu)已被破

55、壞，即石墨烯中的缺陷所引起的。3.2.3 X衍射分析（1）在1wt%的氧化石墨烯、AKP50、30MPa、1300環(huán)境下燒結(jié)所得石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷的X衍射分析圖譜。圖3.2.1 1wt%石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷X衍射分析圖譜觀察圖譜發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)產(chǎn)物中只有氧化鋁成分而不含石墨烯，猜測可能是由于石墨烯含量太少無法測得。（2）在1wt%的氧化石墨烯、AKP50、30MPa、1400環(huán)境下燒結(jié)所得石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷的X衍射分析圖譜。圖3.2.2 1wt%石墨烯氧化鋁復(fù)合陶瓷的X衍射分析圖譜由分析圖譜中觀察還是不能發(fā)現(xiàn)石墨烯的存在，分析可能的原因仍然是預(yù)先加入的氧化石墨烯量太少，所以燒結(jié)之后制品中的石墨烯含量進(jìn)一步減少而無法測得。3.2.4 掃描電鏡分析（1）不同放大倍數(shù)下石墨烯Al2O3復(fù)合陶瓷的形貌特征圖3.2.3不同的放大倍數(shù)下的石墨烯Al2O3復(fù)合陶瓷的掃描電鏡分析圖如圖3.2.3所示，Al2O3晶粒呈現(xiàn)塊狀，晶粒尺寸分布不均。且在晶粒上或晶粒間存在孔洞，其中一部分是開氣孔，和表面相聯(lián)通；另一部分為閉氣孔，和表面不聯(lián)通。在圖可以觀察出晶粒長大的跡象。Al2O3呈亮白色晶粒分布緊湊、致密度高，在局部有黑色石墨烯，鑲嵌在氧化鋁之