原位还原石墨烯/榴石陶瓷复合材料的生成机制和强韧化机理

Ceramics derived from geopolymer precursors have found potential applications in the area of aeronautics and astronautics, metallurgy, chemical engineering, and national defense, among others, due to their prominent properties of low density, heat and corrosion resistance, low price and environmentally friendly nature. However, low mechanical properties and brittle failure nature of this kind of ceramics have limited their practical applications. In this project, based on the good dispersion and alkaline/heat reduction of graphene oxide together with ceramification of geopolymer precursor, graphene/leucite composite will be in-situ synthesized through high-temperature heat treatment. The processing method will overcome the problem of agglomeration of graphene and result in its in-situ strengthening and toughening effect. We will investigate the reduction mechanisms of graphene oxide in alkaline solution and high temperature, effects of graphene oxide on the geopolymerization and ceramification of geopolymer, interfacial structure and mechanical property evolution of graphene/leucite composite together with strengthening and toughening mechanisms. The project aims to reveal the intrinsic relationship between composition, microstructure and properties of such kind of materials, and provide theoretical and technical supports for processing of high-performance graphene/leucite composite, which have important academic value and potential engineering application prospects.

由铝硅酸盐聚合物转化制备的榴石陶瓷材料具有轻质、耐热、耐腐蚀、环境友好等优点，因此在航空航天、冶金、化工和国防等领域具有潜在的应用前景。但是材料本身的低强度和低韧性严重制约了其广泛使用。本项目拟利用氧化石墨烯易分散且在碱性溶液中和高温下可还原的特性，借助铝硅酸盐聚合物陶瓷化技术，原位还原生成分布均匀的石墨烯强韧榴石陶瓷复合材料，解决石墨烯易团聚的难题，并实现榴石陶瓷的原位强韧化。本项目将系统研究氧化石墨烯在碱性溶液中和高温下的还原机理、氧化石墨烯对铝硅酸盐聚合物聚合机理和陶瓷化机制的影响规律、以及石墨烯强韧榴石陶瓷复合材料的界面结构和力学性能演化规律，阐明复合材料的强韧化机制，揭示该系复合材料的组成、组织结构和性能之间的内在联系，为制备出性能优异的石墨烯/榴石陶瓷复合材料提供理论依据与实验指导，因此具有重要的学术价值和潜在的工程应用前景。

本项目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力学性能的影响规律，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。.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，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。石墨烯的加入细化了四方白榴石晶粒，1000°C处理后复合材料抗弯强度达到91.1 MPa，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。.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。