氧化石墨烯增强铝硅酸盐聚合物的聚合与陶瓷化机制

摘要

本文以偏高岭土、碱激发溶液、氧化石墨烯等为原材料，采用原位合成方法制备了部分还原石墨烯/铝硅酸盐聚合物基复合材料，并通过高温彻底还原同时基体陶瓷化方法制备了石墨烯/白榴石陶瓷基复合材料。系统研究氧化石墨烯在复合材料室温制备和高温热处理过程中的还原机理，深入探讨氧化石墨烯对铝硅酸盐聚合物聚合机理的影响规律，阐明了石墨烯/铝硅酸盐聚合物的陶瓷化机制及其组织结构及力学性能演化。
　　研究表明，氧化石墨烯在铝硅酸盐聚合物碱性激发液中和后续的高温陶瓷化过程中可实现原位还原。首先，氧化石墨烯可以在铝硅酸盐聚合物碱性激发液中均匀分散并被原位部分还原为石墨烯，还原程度随还原温度的提高和时间的延长而增长，同时片层卷曲褶皱也随还原温度提高和时间延长增加，碱还原过程中发生脱羧反应；复合材料高温处理后进一步发生热还原，还原相对充分。
　　以天然偏高岭土为原料的铝硅酸盐聚合物的聚合机理可表述为：偏高岭土遇碱激发溶液后溶解，Si-O键和Al-O键水解断裂形成硅铝单体，单体扩散迁移并脱水缩聚，五配位和六配位Al原子向四配位转变，生成Si原子以Q4(3Al)结构单元形式存在、Al原子以四配位结构单元形式存在的网状非晶结构的铝硅酸盐聚合物；聚合反应产物形貌随时间延长由疏松多孔变得密实，非晶的程度也随之降低。氧化石墨烯的加入未明显影响铝硅酸盐聚合物材料的聚合产物类型，聚合过程中氧化石墨烯和铝硅酸盐聚合物基体结合良好。
　　采用氧化石墨烯直接原位合成方法制备的石墨烯/铝硅酸盐聚合物基复合材料中，石墨烯在基体中保持较为平整形态并且分布均匀，石墨烯的引入改善了复合材料的力学性能，特别是当氧化石墨烯添加量为0.3wt.％时，抗弯强度达到17.9MPa，与基体相比提高了45%；石墨烯/铝硅酸盐聚合物基复合材料的强韧机制为裂纹在石墨烯处的偏转与增殖、石墨烯拔出等。
　　钾离子激发的石墨烯/铝硅酸盐聚合物复合材料经过适当的高温处理后可得到石墨烯/四方白榴石陶瓷基复合材料。复合材料中部分还原的石墨烯在升温陶瓷化过程中进一步发生热还原；石墨烯的加入细化了四方白榴石晶粒，1000 ℃处理后复合材料抗弯强度达到91.1MPa，与白榴石基体相比提高了约120%；复合材料的热演化过程与铝硅酸盐聚合物基体规律一致，分为脱去表面吸附自由水、脱去毛细管吸附水、基体脱羟基及石墨烯热还原和粘性烧结四个阶段，复合材料的晶化机制为三维均匀晶化。延长保温时间后石墨烯发生退化反应并产生缺陷，弱化了石墨烯/四方白榴石陶瓷复合材料的强度和韧性。30at.%铯离子等量替代部分钾离子激发的铝硅酸盐聚合物经1000 ℃陶瓷化后可得到稳定至室温的立方白榴石陶瓷，对钾和铯的混合碱激发的铝硅酸盐聚合物中引入氧化石墨烯可以制备得到石墨烯/立方白榴石陶瓷复合材料，石墨烯的加入明显细化了立方白榴石晶粒，与基体相比，抗弯强度和断裂韧性分别提高了约37%和14%。
　　综上所述，原位合成制备石墨烯/铝硅酸盐聚合物的方法为绿色环保制备铝硅酸盐聚合物基复合材料提供了新思路，也为简单高效低成本制备陶瓷基复合材料提供了新方法，石墨烯的引入改善了复合材料的力学性能，拓展铝硅酸盐的应用领域。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 铝硅酸盐聚合物及其复合材料

1.3铝硅酸盐聚合物的陶瓷化

1.4石墨烯及其复合材料

1.5 本课题的研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1 试验用原材料

2.2复合材料设计及制备

2.3材料的组织结构分析

2.4力学性能分析测试

2.5 材料的热学性能测试

第3章 氧化石墨烯在碱激发溶液及高温处理过程中的还原机理

3.1 引言

3.2 碱还原温度对GO还原的影响

3.3碱还原时间对GO还原的影响

3.4高温热还原对GO还原的影响

3.5氧化石墨烯原位还原机制讨论

3.6小结

第4章 氧化石墨烯对铝硅酸盐聚合物聚合机理的影响

4.1 引言

4.2高岭土向偏高岭土转变过程研究

4.3 KGP聚合机理

4.4 GO引入对KGP聚合机理的影响

4.5聚合机理的讨论

4.6 本章小结

第5章 原位生成石墨烯/铝硅酸盐聚合物复合材料的组织结构与力学性能

5.1 引言

5.2 rGO/KGP的组织结构分析

5.3 GO含量对rGO/KGP组织结构的影响

5.4 GO含量对rGO/KGP力学性能的影响

5.5 本章小结

第6章 氧化石墨烯对铝硅酸盐聚合物的陶瓷化及力学性能的影响

6.1 引言

6.2 rGO/KGP复合材料的热学分析

6.3处理时间对rGO/KGP的组织结构和力学性能的影响

6.4 处理温度对rGO/KGP的组织结构及和力学性能的影响

6.5 GO对rGO/CsKGP的组织结构和力学性能的影响

6.6 本章小结

结论

本文的主要创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历