導電蒙脫石基陶瓷/碳復合材料的制備與性能

吳雪平, 徐元強, 王 鑫, 肖客松, 齊曉林, 張先龍

(1. 合肥工業(yè)大學 化學與化工學院, 安徽 合肥 230009;2. 合肥工業(yè)大學 分析測試中心, 安徽 合肥 230009)

1 前 言

蒙脫石是自然界中廣泛存在的一種2:1 型層狀硅酸鹽礦物，晶體結(jié)構(gòu)由兩層硅氧四面體和一層鋁(鎂)氧八面體組成，厚度為1 nm，化學式為(Na, Ca)0.33(Al, Mg, Fe)2[(Si, Al)4O10](OH)2·nH2O[1]。蒙脫石的層間存在可交換陽離子如Na+、Ca2+、K+等，具有比表面積大(750 m2·g-1)、高縱橫比、低的熱膨脹系數(shù)、高強度、離子交換性、熱穩(wěn)定性等特點[2-6]，在吸附[7]、催化[8]、陶瓷[9]、增強體[10]等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。例如，蒙脫石對十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)的吸附能力，發(fā)現(xiàn)蒙脫石對SDBS 的吸附為化學吸附，并且SDBS的濃度越高，蒙脫石對SDBS 的吸附能力越強，SDBS 在蒙脫石表面和層間共存[11-12]。Zhang 等[13]發(fā)現(xiàn)蒙脫石與植物霉素Q7 之間存在靜電、氫鍵和疏水作用，使得蒙脫石對植物霉素Q7 的吸附能力明顯強于膨潤土和硅藻土。采用柱撐、表面活性劑等方式對蒙脫石進行改性，可以大幅度增強蒙脫石表面的吸附能力。Epstein 等[14]采用Al3+對Na-蒙脫石進行柱撐，發(fā)現(xiàn)Al3+的插入增大了蒙脫石的層間距，使得茜素酸鹽更容易進入蒙脫石的層間，蒙脫石對茜素酸鹽的最大吸附量由0.04 變?yōu)?.25 mmol·g-1，極大地提升了蒙脫石的吸附能力。Lin 等[15]利用聚乙烯醇(PVA)對Al-蒙脫石進行改性，PVA 的加入進一步擴大了蒙脫石的層間距，PVA 同時可以釋放質(zhì)子，促進蒙脫石對甲醛的吸附。

作為傳統(tǒng)的陶瓷原料，蒙脫石在熱處理過程中會發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)、莫來石(3Al2O3·2SiO2)等陶瓷相[6,16]。蒙脫石在900 ℃熱處理時，轉(zhuǎn)變?yōu)檩狼嗍沾上啵? 200 ℃時轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎头绞⑻沾上啵? 350 ℃時轉(zhuǎn)變?yōu)殍F堇青石陶瓷相[6]。而鋁柱撐蒙脫石在1 030 ℃熱處理時，開始出現(xiàn)莫來石陶瓷相，1 200 ℃時出現(xiàn)比純蒙脫石更多的莫來石相，有助于其作為高級陶瓷產(chǎn)品的應(yīng)用[16]。但堇青石、莫來石等氧化物陶瓷為絕緣體，限制了其在復雜工程領(lǐng)域的應(yīng)用。添加導電性優(yōu)良的碳納米管(CNTs)[17-18]、石墨烯[19-20]等碳材料可以改善陶瓷材料的導電性能，但因價格昂貴，限制了其工業(yè)化。碳材料直接混合加入陶瓷基體中，容易產(chǎn)生團聚，降低陶瓷材料的性能。例如，Peng 等[21]采用球磨法制備SiO2-CNTs 復合材料，CNTs 含量越高越容易發(fā)生團聚，降低陶瓷材料的彎曲強度。

大量研究表明[22-24]，有機物經(jīng)過熱處理后可以得到導電的石墨碳。黏土礦物具有模板作用，生物質(zhì)可以在黏土表面碳化，形成有序碳[25]。將海泡石和椰殼粉末研磨混合，在500 和800 ℃煅燒處理后，形成導電的碳網(wǎng)絡(luò)，得到復合材料在200～500 ℃時的電導率為5.32×10-7～2.31×10-3S·m-1[26]。在800 ℃繼續(xù)煅燒后，碳的石墨化程度增加，海泡石/碳復合材料電導率高于在500 ℃煅燒的電導率，并且隨著測試溫度(200～500 ℃)的增加而增加，呈現(xiàn)出半導體性質(zhì)[26]。Alvarez 等[27]將海泡石和糖蜜攪拌混合，在800 ℃煅燒處理得到復合材料，同樣發(fā)現(xiàn)測試溫度與電導率呈正相關(guān)關(guān)系。張良[9]采用水熱法制備了凹凸棒石/碳，在1 000 ℃煅燒得到陶瓷/碳復合材料，碳在陶瓷基體中均勻分散，得到了電導率為76 S·m-1的導電陶瓷/碳復合材料。

雖然前人開展了較多的黏土基陶瓷研究，但兼具力學和功能特性的黏土基陶瓷研究相對較少。碳引入陶瓷基體可以改善陶瓷導電性，但碳大多以共混方式引入。陶瓷制備方法以燒結(jié)為主，力學性能有待提高。本研究報道了一種利用蒙脫石的模板吸附特性，在蒙脫石表面或?qū)娱g吸附葡萄糖小分子，然后通過熱壓燒結(jié)原位制備蒙脫石基陶瓷/碳復合材料，研究葡萄糖含量對蒙脫石基陶瓷/碳復合材料力學性能和導電性能的影響。相比于常規(guī)的粉末燒結(jié)法制備陶瓷材料，熱壓燒結(jié)(HP)在單軸加壓的同時進行加熱。在熱壓燒結(jié)過程中，處于熱塑性狀態(tài)的粉末有利于流動傳質(zhì)和接觸擴散，可以降低燒結(jié)壓力和溫度，縮短燒結(jié)時間，得到晶粒小、致密度高的陶瓷[9]。由于碳材料普遍具有導電特性，蒙脫石吸附的葡萄糖分子在高溫熱壓過程中原位轉(zhuǎn)變?yōu)樘?，可以賦予蒙脫石基陶瓷導電功能特性。更重要的是，蒙脫石吸附的葡萄糖在碳化過程中脫除非碳原子，在陶瓷中留下孔隙，形成多孔陶瓷。多孔陶瓷具有廣泛的應(yīng)用，如分離材料[28]、催化劑載體[29]、電極載體[30]、吸波材料[31]等。本研究報道的這種保持一定力學性能的多孔導電陶瓷具有電磁波吸收功能，有望在電磁波防護領(lǐng)域如作為天線罩使用。

2 實驗方法

2.1 主要原料

蒙脫石(粒徑0.074 mm，石家莊鼎磊礦產(chǎn)貿(mào)易有限公司)，主要化學組成(質(zhì)量分數(shù))為：SiO269.44%，Al2O311.96%，CaO 7.62%，CO24.67%，K2O 2.56%，MgO 1.58%，F(xiàn)e2O31.34%；葡萄糖(C6H12O6，分析純，國藥集團化學試劑有限公司)，導電銀漿(PC-Ag-8060，貴研鉑業(yè)股份有限公司)，以上原料使用前均未進行相關(guān)處理。

2.2 蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的制備

首先制備蒙脫石-葡萄糖[32]。將一定量的葡萄糖溶解于蒸餾水中，配制不同質(zhì)量分數(shù)的葡萄糖溶液。將20 g 的蒙脫石加入葡萄糖溶液，固液質(zhì)量比為1:25，攪拌24 h。離心得到產(chǎn)物，產(chǎn)物在110 ℃鼓風干燥箱中干燥12 h。配制的葡萄糖溶液的質(zhì)量分數(shù)分別為1%、2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%。制備的蒙脫石-葡萄糖樣品依次命名為MMT-GS-1、MMT-GS-2.5、MMT-GS-5、MMT-GS-7.5、MMT-GS-10、MMT-GS-12.5。元素分析測得蒙脫石-葡萄糖和陶瓷/碳中的碳質(zhì)量分數(shù)如表1 所示，根據(jù)碳質(zhì)量分數(shù)計算得出蒙脫石吸附的葡萄糖質(zhì)量分數(shù)。

表1 蒙脫石-葡萄糖及陶瓷/碳復合材料的碳質(zhì)量分數(shù)和葡萄糖質(zhì)量分數(shù)Table 1 Glucose and carbon contents in montmorillonite-glucose and ceramic/carbon composites

將上述制備的蒙脫石-葡萄糖置于石墨模具中，在1 000 ℃、15 MPa 和Ar 氣氛中熱壓得到蒙脫石基陶瓷/碳復合材料。在無壓條件下，以升溫速率為5 ℃·min-1，由室溫升至300 ℃，然后以10 ℃·min-1升溫速率升溫到1 000 ℃；保溫時間為30 min。升溫程序結(jié)束后，熱壓爐隨循環(huán)冷卻水自然冷卻，壓力仍繼續(xù)保持，待溫度降至700 ℃時，卸去壓力，待溫度降至300 ℃時，將壓力完全卸載；熱壓爐溫度降至室溫時，取出模具，脫模得到黏土基陶瓷/碳復合材料。相應(yīng)地陶瓷樣品分別命名為HPMMT-GS-1、HPMMT-GS-2.5、HPMMT-GS-5、HPMMT-GS-7.5、HPMMT-GS-10、HPMMT-GS-12.5。元素分析測得陶瓷/碳復合材料的碳質(zhì)量分數(shù)如表1 所示。在相同的熱壓條件下，熱壓蒙脫石和葡萄糖，獲得樣品分別命名為HPMMT 和HPC。

2.3 表征與測試

采用日本日立公司的SU8020 型掃描電鏡(SEM)觀察樣品的形貌。采用日本電子公司的JEM-2100F型場發(fā)射透射電鏡(FETEM)觀察樣品的形貌。采用日本Dmax-A 型X 射線分析儀(XRD)對樣品進行物相分析。采用Vario EL cbue 型元素分析儀檢測樣品中的碳含量。利用MAGNA-IR750 型紅外光譜儀檢測樣品的紅外吸收特征。采用同步熱分析儀(STA449F3)對樣品進行TG-DSC 表征，升溫速率10 ℃·min-1，Ar氣氛。采用阿基米德排水法測試復合材料的密度和顯氣孔率。采用法國Horiba Jobin Yvon 公司的LabRam HR Evolution 型顯微共焦激光拉曼光譜儀檢測樣品中的碳。

利用深圳SANS CMT4340 型萬能材料試驗機測試復合材料的力學性能。三點彎曲法測試復合材料的彎曲強度(樣品尺寸為36 mm×4 mm×3 mm，壓頭下降速率0.5 mm·min-1)，單邊切口梁法(SENB)測試復合材料的斷裂韌性(樣品尺寸為22 mm×4 mm×2 mm，壓頭下降速率0.05 mm·min-1)。利用美國吉時利Keithley 2000 對樣品的電阻進行測量，將試樣上下兩面打磨光滑，涂抹導電銀漿，在850 ℃下煅燒10 min，用銀線做電極，采用兩探針法對試樣的電阻率進行測試。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Rohde-Schwarz ZNA43-2Port)在26.5～40 GHz 波導法測量樣品的吸波性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒙脫石-葡萄糖(MMT-GS)的結(jié)構(gòu)表征

圖1 為蒙脫石和蒙脫石-葡萄糖的XRD 譜圖。蒙脫石-葡萄糖(MMT-GS)的衍射峰與蒙脫石基本一致，且并未出現(xiàn)新的衍射峰，說明蒙脫石在吸附葡萄糖之后結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。蒙脫石-葡萄糖(001)晶面的衍射峰強度明顯降低，并且隨著葡萄糖含量的增加，蒙脫石-葡萄糖(001)晶面的衍射峰逐漸左移。由布拉格方程得出蒙脫石(001)晶面的層間距為1.25 nm，蒙脫石-葡萄糖(001)晶面的層間距分別為1.29、1.40、1.46、1.49、1.51、1.53 nm，說明蒙脫石的表面和層間均存在葡萄糖，并且隨著溶液中葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加，蒙脫石層間的葡萄糖增多。劉琦等[32]發(fā)現(xiàn)膨潤土吸附葡萄糖后，膨潤土的層間存在葡萄糖，并且發(fā)現(xiàn)膨潤土(001)晶面的層間距由1.27 變?yōu)?.52 nm。

圖1 蒙脫石和蒙脫石-葡萄糖的XRD 圖Fig.1 XRD patterns of montmorillonite and montmorillonite-glucose

蒙脫石(MMT)和蒙脫石-葡萄糖(MMT-GS)的FT-IR 圖如圖2 所示。3 622 和916 cm-1處為蒙脫石中Al─OH 的伸縮振動和彎曲振動峰[33]；3 398 和1 641 cm-1處為蒙脫石中吸附水和層間水的羥基的伸縮振動和彎曲振動峰；蒙脫石中存在碳酸鹽，因此，在1 435 cm-1處出現(xiàn)了碳酸鹽中C─O 的伸縮振動峰(表1)；997 和789 cm-1處為Si─O 的伸縮振動峰[34]；619 cm-1處為蒙脫石中Si─O─Al 的吸收峰。對比蒙脫石(MMT)和蒙脫石-葡萄糖(MMT-GS)的FT-IR 圖發(fā)現(xiàn)，蒙脫石-葡萄糖(MMT-GS)在3 622、3 398 和1 641 cm-1處的振動峰有明顯減弱，可能是蒙脫石易吸附空氣中的水分，導致蒙脫石中吸附水和層間水的─OH 含量較高。對于蒙脫石-葡萄糖(MMT-GS)，在2 937 和2 852 cm-1處出現(xiàn)了C─H 和─CH2─的伸縮振動峰[32]，蒙脫石中不存在C─H 和─CH2─等官能團，而葡萄糖分子中存在C─H 和─CH2─。隨著葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加，C─H和─CH2─的伸縮振動峰吸收峰逐漸增強，說明蒙脫石吸附的葡萄糖含量逐漸增多。這與表1 中蒙脫石-葡萄糖(MMT-GS)中的葡萄糖質(zhì)量分數(shù)隨溶液中葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加而增加相對應(yīng)。蒙脫石-葡萄糖(MMT-GS)中C─H 和─CH2─有機官能團的出現(xiàn)，證明蒙脫石已經(jīng)成功吸附葡萄糖。

圖2 蒙脫石和蒙脫石-葡萄糖的FT-IR 圖Fig.2 FT-IR spectra of montmorillonite and montmorillonite-glucose

蒙脫石和MMT-GS-2.5 的TG-DSC 圖如圖3 所示。在圖3(a)中，蒙脫石的第1 階段失重在163 ℃之前，代表蒙脫石中吸附水和層間水的脫除。第2 階段失重發(fā)生在600～746 ℃，代表蒙脫石中─OH 的脫除。在DSC 曲線中，同樣顯示了蒙脫石中脫除吸附水和─OH 的吸熱峰[6]。在圖3(b)中，MMT-GS-2.5 在25～760 ℃持續(xù)失重，可能是蒙脫石中吸附的葡萄糖在熱處理過程中逐漸碳化，致使MMT-GS-2.5 出現(xiàn)質(zhì)量損失。在DSC 曲線中，同樣只有蒙脫石脫除吸附水、層間水和─OH 的吸熱峰。

圖3 MMT 和 MMT-GS-2.5 的TG-DSC 圖Fig.3 TG-DSC curves of MMT and MMT-GS-2.5

3.2 蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)的結(jié)構(gòu)表征

熱壓蒙脫石所得陶瓷(HPMMT)的XRD 圖如圖4所示。蒙脫石經(jīng)1 000 ℃熱壓之后，在21.6°和35.6°處出現(xiàn)了方石英的衍射峰(JCPDS NO.27-0605)，20.9°處的微弱衍射峰認定為石英相(JCPDS NO.46-1045)，26.4° 處的衍射峰為斜鐵輝石(FeSiO3) (JCPDS NO.17-0548)，與蒙脫石中含有Fe 元素相對應(yīng)，27.9°處為鈣長石相的衍射峰(JCPDS NO.41-1486)。然而，在HPMMT-GS-1 樣品中斜鐵輝石相的衍射峰減弱，出現(xiàn)了熱液石英相(JCPDS NO.13-0026)，并隨著葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加，熱液石英相的衍射峰逐漸減弱，石英相的衍射峰逐漸增強，可能是由于在1 000 ℃時，蒙脫石吸附的葡萄糖碳化，并與斜鐵輝石中的FeO 發(fā)生還原反應(yīng)導致在23.8°處出現(xiàn)熱液石英相的衍射峰和位于26.6°處石英相的衍射峰。熱壓葡萄糖(HPC)在20°～30°出現(xiàn)了大寬峰，說明葡萄糖熱壓碳化后呈無定形碳結(jié)構(gòu)[35]。

圖4 HPMMT、HPC 和HPMMT-GS 復合材料的XRD 圖Fig.4 XRD patterns of HPMMT, HPC and HPMMT-GS composites

蒙脫石基陶瓷(HPMMT)和蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的Raman 光譜如圖5 所示。熱壓蒙脫石所得陶瓷(HPMMT)的拉曼光譜在1 000～2 000 cm-1沒有吸收峰。因此，圖5 中1 000～2 000 cm-1有2 個明顯的峰，應(yīng)歸屬于蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料中的碳。其中，位于1 375 cm-1處的峰為D 峰，代表的是碳原子晶格的缺陷，1 610 cm-1處的峰為G 峰，代表的是碳原子sp2雜化的面內(nèi)伸縮振動。ID/IG為碳材料石墨化程度[36]。HPMMT-GS-1 復合材料的ID/IG為0.939，但HPMMT-GS-2.5、HPMMT-GS-5、HPMMT-GS-7.5、HPMMT-GS-10、HPMMT-GS-12.5 復合材料的ID/IG分別為0.986、0.969、0.945、0.937、0.921。蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的ID/IG隨著碳質(zhì)量分數(shù)的增加而減小，說明碳質(zhì)量分數(shù)的增加促進了碳的石墨化，更容易形成導電網(wǎng)絡(luò)。HPMMT-GS-1 復合材料的ID/IG雖然較小，但其他蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的D 峰與G 峰較HPMMT-GS-1 復合材料更尖銳，代表著其他蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的石墨化程度更高。

圖5 HPMMT 和PMMT-GS復合材料的Raman 光譜Fig.5 Raman spectra of HPMMT and HPMMT-GS composites

3.3 蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的力學性能和導電性能

蒙脫石基陶瓷(HPMMT)和蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的密度和氣孔率如圖6 所示。蒙脫石基陶瓷(HPMMT)的密度為2.16 g·cm-3，由于碳的密度較小，且蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料存在大量孔隙，導致蒙脫石吸附葡萄糖后，HPMMT-GS-1 復合材料的密度急劇下降至1.76 g·cm-3，并且隨著葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加，蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的密度逐漸減小。蒙脫石基陶瓷(HPMMT)的氣孔率為8.77%，而HPMMT-GS-1 復合材料的氣孔率為20.33%。這是由于蒙脫石吸附的葡萄糖在熱壓燒結(jié)過程中逐漸碳化，產(chǎn)生了CO、CO2等氣體[37-38]，在陶瓷內(nèi)部形成孔隙，導致復合材料的氣孔率顯著增加。繼續(xù)增加葡萄糖質(zhì)量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的氣孔率增加緩慢，因為蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料本身已經(jīng)存在大量氣孔，CO 和CO2等氣體會繼續(xù)通過已經(jīng)產(chǎn)生的氣孔逸出，導致蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的氣孔率增加緩慢。

圖6 HPMMT 和HPMMT-GS 復合材料的密度和氣孔率Fig.6 Bulk density and porosity of HPMMT and HPMMT-GS composites

蒙脫石基陶瓷(HPMMT)和蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的彎曲強度和斷裂韌性如圖7所示。隨著葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加，蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料彎曲強度和斷裂韌性先急劇降低而后緩慢下降。研究表明，彎曲強度σ和氣孔率P的函數(shù)可表示為[39]

圖7 HPMMT 和HPMMT-GS 復合材料的彎曲強度和斷裂韌性Fig.7 Flexural strength and fracture toughness of HPMMT and HPMMT-GS composites

σ0是致密材料的理論強度，P是氣孔率，β是與成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)的結(jié)構(gòu)因子。材料的強度與氣孔率呈指數(shù)關(guān)系。氣孔率的增加會嚴重降低材料的強度。

蒙脫石基陶瓷(HPMMT)和蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的斷裂面形貌如圖8 所示。從圖8(a)、(c)、(e)、(g)、(i)、(k)、(m)中可以看出，HPMMT 和HPMMT-GS 復合材料中存在大量孔隙，并且隨著葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加，孔隙逐漸增多，形狀變得不規(guī)則。葡萄糖在熱壓燒結(jié)過程中產(chǎn)生了CO、CO2等氣體，在陶瓷內(nèi)部形成孔隙。蒙脫石基陶瓷(HPMMT)的斷裂面平整，斷裂方式為穿晶斷裂(圖8(a))，而HPMMT-GS-1 復合材料的斷裂面存在大量溝壑，斷裂方式為穿晶斷裂和沿晶斷裂共存(圖8(d))，當蒙脫石-葡萄糖中葡萄糖質(zhì)量分數(shù)增加至8.08% 時(表1)，陶瓷晶粒減小。向陶瓷基體中添加碳材料會抑制陶瓷晶粒的生長，改善陶瓷材料的斷裂韌性[40-41]。但由于孔隙度的大量增加，導致復合材料的力學性能顯著下降(圖7)。葡萄糖質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加時，蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的晶粒逐漸團聚?？赡苁且驗槠咸烟琴|(zhì)量分數(shù)過高，導致葡萄糖碳化后形成的碳將陶瓷晶粒包裹，形成了大的晶粒(圖8(h)、(j)、(l)、(n))。

蒙脫石基陶瓷(HPMMT)和蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的電導率如圖9 所示。從圖中可以看出，蒙脫石基陶瓷(HPMMT)為絕緣體，而蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的電導率隨著碳質(zhì)量分數(shù)的增加而增加。而蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的電導率卻在金屬(105S·m-1)和絕緣體(10-7S·m-1)之間，呈現(xiàn)半導體性質(zhì)。這是由于蒙脫石表面和層間的葡萄糖在熱壓過程中原位碳化，形成了導電網(wǎng)絡(luò)，促進了載流子的有效傳遞，使得蒙脫石基陶瓷/碳(HPMMT-GS)復合材料的電導率增加，并且隨著葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加而增加。HPMMT-GS-2.5 復合材料的電導率(7.82×10-4S·m-1)比HPMMT-GS-1 復合材料(5.52×10-4S·m-1)僅有少量增加。然而，HPMMT-GS-5 復合材料和HPMMT-GS-7.5復合材料的碳質(zhì)量分數(shù)分別為5.45% 和6.64% (表1)，電導率分別達到了0.022 和0.456 S·m-1，出現(xiàn)了數(shù)量級的變化，推測是因為達到了滲濾閾值[42]，導致復合材料的電導率驟然增加。HPMMT-GS-10 的吸波性能如圖10 所示。吸收體厚度為3 mm 時，最佳反射損耗RL為-41.35 dB，吸波性能良好。這是由于陶瓷/碳具有良好的導電性(圖9)，并且具有較大的孔隙率(圖6)所致。

圖9 陶瓷中碳質(zhì)量分數(shù)對HPMMT 和HPMMT-GS復合材料電導率的影響Fig.9 Effect of carbon mass fraction in ceramic on the electrical conductivity of HPMMT and HPMMT-GS

圖10 HPMMT-GS-10 復合材料在1.0～5.0 mm厚度下的RL 性能Fig.10 RL performance of HPMMT-GS-10 composite at thickness of 1.0-5.0 mm

4 結(jié) 論

利用蒙脫石吸附葡萄糖，熱壓燒結(jié)得到蒙脫石基陶瓷/碳復合材料。隨著溶液中葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加，蒙脫石吸附的葡萄糖增加。蒙脫石-葡萄糖中葡萄糖質(zhì)量分數(shù)影響陶瓷/碳復合材料的力學性能和導電性能。隨著葡萄糖質(zhì)量分數(shù)的增加，陶瓷/碳復合材料的孔隙度增大，導致彎曲強度和斷裂韌性均下降，但陶瓷/碳復合材料的電導率逐漸增加。當溶液中葡萄糖質(zhì)量分數(shù)為10% 時，陶瓷/碳復合材料中碳的質(zhì)量分數(shù)為7.62%，復合材料的電導率達到0.523 S·m-1。蒙脫石表面和層間的葡萄糖原位碳化，形成導電網(wǎng)絡(luò)，大大提升了陶瓷/碳復合材料的電導率。制備得到的陶瓷材料的孔隙率較高，孔隙率雖達到30%，彎曲強度仍有15 MPa 左右。當陶瓷中碳的質(zhì)量分數(shù)為7.62% 時，材料對電磁波的最佳反射損耗為-41.35 dB，顯示良好的吸波性能。基于力學、導電和吸波特性，這種陶瓷/碳多孔材料可以應(yīng)用于天線罩等電磁防護領(lǐng)域。