石墨烯/陶瓷基复合材料：性能增强效应与制备工艺

石墨烯/陶瓷基复合材料的研究始于2005年，研究人员将石墨粉、石墨烯片和碳纳米管混合制成悬浮液喷涂于钛箔，利用碳在钛中的扩散反应，采用放电等离子烧结在1450℃、40 MPa下保温2分钟原位制备了TiC/C复合材料，石墨烯由此被引入陶瓷基复合材料。经过十余年发展，石墨烯已被引入TiC、Al₂O₃、SiO₂、AlN、Si₃N₄、SiC、B₄C等陶瓷基体，在力学、电学和可加工性能方面获得明显增强效果。

在氧化物陶瓷基复合材料方面，氧化铝/石墨烯体系研究较多。有研究通过电火花烧结制备氧化铝/石墨烯块体复合材料，石墨烯含量15 vol%时电导率达5709 S/m，比CNT/Al₂O₃复合材料高170%。有研究将Al₂O₃粉体加入氧化石墨烯溶液，60℃下水合肼还原后电火花烧结，断裂韧性较纯Al₂O₃提高53%，增韧机制为片拉出和桥联。有研究制备0.78 vol%石墨烯含量的复合材料，弯曲强度和断裂韧性分别达523±30 MPa和4.49±0.33 MPa·m^(1/2)，比Al₂O₃分别提高30.75%和27.20%。Centeno等将氧化石墨烯与Al₂O₃粉末混合后放电等离子烧结（烧结与还原同步），石墨烯含量仅0.22 wt%时断裂韧性比未添加材料提高50%。

在非氧化物陶瓷基复合材料方面，Si₃N₄断裂韧性较低限制了应用。有研究以Si₃N₄为基体、Al₂O₃和Y₂O₃为助剂，1 wt%不同种类石墨烯片，热等静压烧结后硬度达16.38 GPa、断裂韧性9.92 MPa·m^(1/2)。Walker等采用胶体成型和放电等离子烧结（1650℃），石墨烯含量1.5 vol%时断裂韧性从2.8提高到6.6 MPa·m^(1/2)，提高235%。Kun等发现较厚石墨烯纳米片增韧效果更好。有研究在Si₃N₄/SiC复相陶瓷中添加3 wt%石墨烯，耐压强度较未添加时提高20%。

从性能规律看，石墨烯引入总体上增强复合材料强度、韧性、可加工性和导电性，影响介电性能，但硬度、弹性模量和热导率随石墨烯加入呈下降趋势，且性能受石墨烯含量、片层尺寸和厚度影响。力学性能方面，抗弯强度和断裂韧性显著提高，增韧机制包括片层拔出、桥联、裂纹偏转和晶粒细化；但硬度随石墨烯加入减小（致密性下降且界面粘附力弱），弹性模量也下降。电学性能方面，电导率随石墨烯含量增加呈典型渗流现象，且因二维形貌各向异性明显，垂直加压方向电导率大于平行方向。介电性能方面，石墨烯可显著提高材料介电常数和介电损耗。加工性能方面，有研究用0.8 mm碳化钨钻头在400 rpm下钻孔，石墨烯/Al₂O₃复相陶瓷加工性能优于纯Al₂O₃，大尺寸石墨烯样品加工性更好。热学性能方面，尽管石墨烯热导率达5300 W/(m·K)，但加入陶瓷基体后反而降低热导率，原因一是石墨烯降低烧结致密度、气孔率增加，二是石墨烯垂直片层方向热导率仅8 W/(m·K)，界面热阻降低了整体热导。

从制备工艺看，复合粉体制备主要有两类：一是先将石墨烯分散于分散剂或水溶液得到稳定悬浮液，再与陶瓷粉混合球磨（常用分散剂有十二烷基磺酸钠水溶液、胆酸钠水溶液、N-甲基-2-吡咯烷酮）；二是将石墨烯或氧化石墨烯与陶瓷粉同时加入分散体系，磁力搅拌或超声分散后干燥，烧结过程中氧化石墨烯同步还原。烧结方面，由于石墨烯阻碍陶瓷烧结，多采用压力烧结技术，包括热压烧结、放电等离子烧结（SPS）、高频感应加热烧结等，其中热压和SPS应用较多。展望未来，需进一步探索石墨烯分散和致密化烧结方法，揭示组成结构与性能关系；加强与功能陶瓷复合，探索介电、耐腐蚀、磁性、生物相容性等方向；拓展在可加工陶瓷、耐腐蚀电极、发热体等领域应用。

针对此类高温烧结场景，真空烧结炉配合气氛与温场管控，有助于稳定提升制品致密度与批次一致性。

此类工艺可依托真空管式炉完成，在气氛控制与温场均匀性方面优势较为明显。

选型时建议重点关注设备温场均匀性，它直接影响制品的一致性与成品率。

真空度稳定性直接影响界面结合质量与缺陷率，是设备选型的核心指标之一。

保障批次一致性需要稳定的工艺曲线与设备温场，两者共同决定量产良率。