文献综述

氧化铝石墨烯复合陶瓷烧结研究文献综述

重庆理工大学材料科学与工程学院11109030105 樊朋博

摘要：氧化铝陶瓷以其强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、电绝缘性能好、介电损耗低、无毒等优良特性,成为应用最为广泛的陶瓷材料之一。然而为适应不同领域的具体要求,必须要对氧化铝陶瓷进行增强处理。石墨烯具有优异的力学特性和电学性能，在作为聚合物基体的增强功能化添加剂方面被认为具有非常广泛的应用前景。这一新型材料的出现和近些年人们对它的研究，使它在能源存储、复合材料等领域表现出无限的应用前景。将石墨烯溶液与氧化铝混合，然后再利用放电等离子烧结（SPS）技术将混合料进行原料均匀处理；SPS在混料中释放高电流并在数分钟内生成新型复合材料[1]。石墨稀的高模量和高强度等性能可以预见它是陶瓷基复合材料良好的补强体。在陶瓷基体中添加石墨稀,利用石墨稀的优异力学性能可以制备出高强度的陶瓷基复合材料；同时利用石墨烯优异的导电和吸波性特性赋予石墨稀增强的复合材料优良的吸波能力和结构承载能力。但是由于石墨稀容易团聚,在基体中分散性差,影响了复合材料性能的提高[2]。如何提高石墨烯的分散性、改善石墨烯在基体中的分散均勻性,就成为制备石墨烯氧化铝复合陶瓷材料的主要难题。

关键词：石墨烯、氧化铝、复合陶瓷、分散、性能、制备

引言：在常温下能够稳定的制备石墨烯,这就为石墨烯复合物材料的研究提供了一个非常广阔的平台。因为石墨烯自身具有独特二维纳米结构,所以它可以作为一个极其适合的纳米级的添加剂来制备石墨的复合材料。而石墨烯内在的优异性能也使得搭载于石墨稀的复合材料呈现出许多优异特性,受到了极大的关注[3-4]。石墨稀性能优异并且成本低廉,此外,经过功能化的石墨稀可以通过溶液加工等常规方法进行处理,使得高性能复合材料的开发更具前景。目前对石墨烯增强陶瓷方面的研究还相当少，主要集中在聚合物/石墨烯的复合材料和低微石墨烯无机纳米复合材料。传统的陶瓷基复合材料使用一维碳纤维、碳纳米管以及陶瓷晶须作为增强相，但是这些材料在陶瓷基体中分散不均匀，容易团聚；相对于低微的纳米复合组分来说，石墨烯具有更大的优势。由于它具有优异的性能和低廉的成本,而且石墨稀的制备已日趋完善,所以实验中把石墨烯添加到陶瓷中制备导电纳米复合材料,从机械性能和电导率等方面来研究复合材料的性能。本文将主要从石墨烯的特点和制备方法、普通氧化铝陶瓷的特点和制备、石墨烯氧化铝复合陶瓷的特点和制备以及石墨烯氧化铝复合陶瓷的发展状况四个方面进行综合描述。

1石墨烯的结构和性能

1.1 结构分析

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子网格。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小[5]。

1.2性能分析

1.2.1 导电性能

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料[6]。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

1.2.2 量子霍尔效应

石墨烯的另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯还表现

出了异常的整数量子霍尔效应。其霍尔电导=2e²/h,6e²/h,10e²/h....为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到[7]。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。

1.2.3 吸光性能

根据理论推导，悬浮中的石墨烯会吸收的白光是精细结构常数。一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度，单层石墨烯的独特电子性质造成了这令人惊异的高不透明度[8]。更令人诧异的是，这不透明度只与精细结构常数有关，而精细结构常数通常只出现于量子电动力学，很少会在材料科学领域找到它。由于单层石墨烯不寻常的低能量电子结构，在狄拉克点，电子和空穴的圆锥形能带会相遇，因而产生高不透明度结果。但是，由于准确度不够高，这方法不能用来决定精细结构常数的度量衡标准。当输入的光波强度超过阈值时，这独特的吸收性质会开始变得饱和。这种非线性光学行为称为可饱和吸收（saturable absorption），阈值称为饱和流畅性（saturable fluency）。给予强烈的可见光或近红外线激发，因为石墨烯的整体光波吸收和零能隙性质，石墨烯很容易就可以变得饱和。石墨烯可以用于光纤激光器（fiber laser）的锁模（mode locking）运作。用石墨烯制备成的可饱和吸收器能够达成全频带锁模。由于这特殊性质，在超快光子学（photonics）里，石墨烯有很广泛的应用空间[9]。

1.2.4 场效应

近来，有实验示范，在室温，通过施加电压于一个双闸极双层石墨烯场效晶体管，石墨烯的能隙可以从0 eV调整至0.25 eV（大约5微米波长）。通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域。科学家认为石墨烯会是理想的自旋电子学材料，因为其自旋-轨道作用很小，而且碳元素几乎没有核磁矩（nuclear magnetic moment）。使用非局域磁阻效应，可以测量出，在室温状况，自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高，并且观测到自旋相干长度超过1微米。使用电闸，可以控制自旋电流的极性[10]。

1.2.5 导热性能

石墨烯的导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可达3500W/mK，各种金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝，而单层石墨烯的导热系数可达5300W/Mk[11]。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料。

2石墨烯在复合陶瓷中的作用

美国MONIKER公司的科学家们近日研究出了掺入石墨烯的新型陶瓷材料。陶瓷本是绝缘体，但加入了石墨烯便成为良好的导电材料。这一技术将大大改善陶瓷的导电和机械性能。研究团队发现，矾土在掺入石墨烯后其抗拉强度得到很好的提高，克服了陶瓷材料脆硬的缺陷。该技术工艺简单耗时短，可用于汽车、航空、热管理、电子加工和半导体等诸多工业设备。此外，该工艺还可用于增强其他陶瓷材料，如碳化硅、氮化硅、氧化锆和二氧化钛等的抗拉性能。而石墨烯的加入更是将氧化铝的导电性提高了近乎1亿倍。