氧化石墨烯增強(qiáng)鋁硅酸鹽聚合物的聚合與陶瓷化機(jī)制.pdf

1、本文以偏高嶺土、堿激發(fā)溶液、氧化石墨烯等為原材料，采用原位合成方法制備了部分還原石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物基復(fù)合材料，并通過(guò)高溫徹底還原同時(shí)基體陶瓷化方法制備了石墨烯/白榴石陶瓷基復(fù)合材料。系統(tǒng)研究氧化石墨烯在復(fù)合材料室溫制備和高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中的還原機(jī)理，深入探討氧化石墨烯對(duì)鋁硅酸鹽聚合物聚合機(jī)理的影響規(guī)律，闡明了石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物的陶瓷化機(jī)制及其組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能演化。
　　研究表明，氧化石墨烯在鋁硅酸鹽聚合物堿性激發(fā)液中和后續(xù)

2、的高溫陶瓷化過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)原位還原。首先，氧化石墨烯可以在鋁硅酸鹽聚合物堿性激發(fā)液中均勻分散并被原位部分還原為石墨烯，還原程度隨還原溫度的提高和時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，同時(shí)片層卷曲褶皺也隨還原溫度提高和時(shí)間延長(zhǎng)增加，堿還原過(guò)程中發(fā)生脫羧反應(yīng)；復(fù)合材料高溫處理后進(jìn)一步發(fā)生熱還原，還原相對(duì)充分。
　　以天然偏高嶺土為原料的鋁硅酸鹽聚合物的聚合機(jī)理可表述為：偏高嶺土遇堿激發(fā)溶液后溶解，Si-O鍵和Al-O鍵水解斷裂形成硅鋁單體，單體擴(kuò)散遷移并脫

3、水縮聚，五配位和六配位Al原子向四配位轉(zhuǎn)變，生成Si原子以Q4(3Al)結(jié)構(gòu)單元形式存在、Al原子以四配位結(jié)構(gòu)單元形式存在的網(wǎng)狀非晶結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽聚合物；聚合反應(yīng)產(chǎn)物形貌隨時(shí)間延長(zhǎng)由疏松多孔變得密實(shí)，非晶的程度也隨之降低。氧化石墨烯的加入未明顯影響鋁硅酸鹽聚合物材料的聚合產(chǎn)物類型，聚合過(guò)程中氧化石墨烯和鋁硅酸鹽聚合物基體結(jié)合良好。
　　采用氧化石墨烯直接原位合成方法制備的石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物基復(fù)合材料中，石墨烯在基體中保持較為平

4、整形態(tài)并且分布均勻，石墨烯的引入改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能，特別是當(dāng)氧化石墨烯添加量為0.3wt.％時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到17.9MPa，與基體相比提高了45%；石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物基復(fù)合材料的強(qiáng)韌機(jī)制為裂紋在石墨烯處的偏轉(zhuǎn)與增殖、石墨烯拔出等。
　　鉀離子激發(fā)的石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物復(fù)合材料經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗罂傻玫绞?四方白榴石陶瓷基復(fù)合材料。復(fù)合材料中部分還原的石墨烯在升溫陶瓷化過(guò)程中進(jìn)一步發(fā)生熱還原；石墨烯的加入細(xì)化了四方白

5、榴石晶粒，1000 ℃處理后復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度達(dá)到91.1MPa，與白榴石基體相比提高了約120%；復(fù)合材料的熱演化過(guò)程與鋁硅酸鹽聚合物基體規(guī)律一致，分為脫去表面吸附自由水、脫去毛細(xì)管吸附水、基體脫羥基及石墨烯熱還原和粘性燒結(jié)四個(gè)階段，復(fù)合材料的晶化機(jī)制為三維均勻晶化。延長(zhǎng)保溫時(shí)間后石墨烯發(fā)生退化反應(yīng)并產(chǎn)生缺陷，弱化了石墨烯/四方白榴石陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。30at.%銫離子等量替代部分鉀離子激發(fā)的鋁硅酸鹽聚合物經(jīng)1000 ℃陶瓷化后

6、可得到穩(wěn)定至室溫的立方白榴石陶瓷，對(duì)鉀和銫的混合堿激發(fā)的鋁硅酸鹽聚合物中引入氧化石墨烯可以制備得到石墨烯/立方白榴石陶瓷復(fù)合材料，石墨烯的加入明顯細(xì)化了立方白榴石晶粒，與基體相比，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別提高了約37%和14%。
　　綜上所述，原位合成制備石墨烯/鋁硅酸鹽聚合物的方法為綠色環(huán)保制備鋁硅酸鹽聚合物基復(fù)合材料提供了新思路，也為簡(jiǎn)單高效低成本制備陶瓷基復(fù)合材料提供了新方法，石墨烯的引入改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能，拓展鋁硅酸鹽