石墨烯,一种由sp²杂化的碳原子以六边形周期排列形成的二维蜂窝状晶格结构的无机纳米片层材料,其厚度只有0.335 nm,可作为其它维数碳材料的基本结构单元,是研究碳材料各种晶体理论计算和推导的基础结构。石墨烯独特的单原子层结构使它具有了许多优异的性能,如室温下的电子迁移率（2×10⁵ cm²·V·s）,强度达130 GPa,杨氏模量约为1100 GPa,导热系数高达5300 W/（m·K）,极大的比表面积（理论计算值为2630 m²/g）。这些优异的性能使其在能源、微电子、信息、生物医药及高性能复合材料等领域显示出了重要的研究价值和广阔的应用前景。在过去的十年中,石墨烯材料已充分展现出在理论研究和实际应用方面的无穷魅力,成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿。石墨烯因其具有极高的本征机械强度、优异的导电和导热性能,被认为是一种理想的复合相用于提高复合材料的性能。目前,其相关研究主要集中在石墨烯/聚合物的复合材料和低维的石墨烯纳米复合材料。在陶瓷复合材料领域,通常使用一维碳纤维、碳纳米管以及陶瓷晶须作为增强相来提高材料的性能,但是这些增强材料例如碳纳米管在基体中往往会分散不均,容易团聚。相对于碳纳米管来说,石墨烯具有更大优势,它能够较好分散于陶瓷基体中,并且同样具有优异的力学、电学和热学性能,所以将石墨烯复合到陶瓷材料中,这对提高陶瓷材料的综合性能具有重大意义,有望得到具有某些独特性能的结构-功能一体化块体复合材料。然而,与石墨烯/聚合物复合材料和低维的石墨烯无机纳米复合材料相比,石墨烯/陶瓷块体复合材料的研究起步相对较晚,并且由于陶瓷材料制备工艺的特殊性,所以在制备陶瓷复合材料方面要求石墨烯合成产量多、成本更低、分散性好、且易与陶瓷粉体混合均匀。随着石墨烯材料研究的不断深入,石墨烯复合陶瓷材料的制备和应用研究取得了很大的进展,但是缺少适合陶瓷材料制备工艺的石墨烯合成技术,导致石墨烯复合陶瓷材料大规模应用仍面临大量问题和挑战,所以探索石墨烯低成本合成及其陶瓷复合材料的制备具有重要研究意义和应用价值。本文以不同的陶瓷基体材料为研究对象,分别采用超声剥离、微机械剥离和化学法合成了石墨烯材料,制备了石墨烯复合陶瓷材料并研究了物相组成、显微结构和性能。提出了一种适合工业应用的石墨烯复合陶瓷材料低成本制备技术,即在微机械剥离合成石墨烯过程中,同步实现了石墨烯的合成、在陶瓷粉体中的分散和均匀混合,一步获得了石墨烯复合陶瓷粉体。发现了石墨烯几乎完全抑制TiC陶瓷晶粒生长的现象,提出了石墨烯抑制晶粒生长的烧结模型和烧结机理。具体的研究内容主要有:1.石墨烯及石墨烯纳米筛的合成:首先,为提高剥离效果,将原始石墨进行微波加热,使其快速热膨胀得到膨胀石墨,再通过超声剥离和化学氧化还原法成功制备了大尺寸高质量的石墨烯纳米片层材料（GNSs）,并对其微观结构和形貌进行表征。然后,采用一种低温冷冻研磨的方法,将氧化石墨烯（GO）在液氮条件下成功制备出了石墨烯新材料-石墨烯纳米筛（GNMs）。通过透射电镜可以看到制备的GNMs的孔洞分布均匀,孔洞尺寸为3-50 nm。并对其形成机理进行分析认为:在低温研磨过程中,分布在GO周围的一些冰的纳米柱体很可能会散落开,那些垂直于GO表面生长的纳米柱体在外力的作用下往往就会在GO片上凿出一些孔洞,从而形成GNMs,由于GO表面的缺陷分布不均导致其本身的强度的大小差异,这会使得最后形成的孔洞尺寸大小不一,这种合理的推测也正好与形貌表征结论吻合。2.石墨烯复合氧化铝陶瓷材料的制备:采用行星球磨法将纳米氧化铝（Al₂O₃）粉体和膨胀好的石墨直接混合进行湿法球磨得到GNSs/Al₂O₃复合粉体;然后,通过spark plasma sintering（SPS）技术成功制备出高致密度的GNSs/Al₂O₃复合陶瓷。研究发现,在球磨的过程中,石墨烯的引入抑制了Al₂O₃纳米粉体的团聚,同时Al₂O₃纳米粉的加入也有效防止了GNSs的重新团聚。此方法的最大优势在于使得石墨烯的合成、分散和与粉体的复合一步完成,最终得到混合分散均匀的复合粉体材料;SPS烧结后块体材料的研究发现,石墨烯的引入极大抑制了氧化铝基体晶粒的生长,烧结后的晶粒尺寸仅为纯相Al₂O₃的10%;同时,石墨烯的加入显著提高了复合材料的抗弯强度、断裂韧性和硬度。由于此方法简单易行、成本低,特别适合石墨烯陶瓷复合材料的规模化制备。3.石墨烯/二氧化硅复合材料的制备:采用机械球磨法制备GNSs/二氧化硅（SiO₂）复合材料,即采用球磨法将膨胀石墨和SiO₂粉混合,加入NMP作为分散介质直接球磨使得GNSs的制备、分散和与SiO₂基体相的复合同步完成。最后,通过SPS技术将复合粉体烧结得到致密的石墨烯复合块体材料,并对复合材料的结构和性能进行表征。研究发现,由于机械剥离法制备的GNSs保留了石墨烯本身优异的电学和力学性能,将其引入绝缘的SiO₂基体后不但提高其力学性能,同时改善了其电学性能,使得复合材料的介电常数、介电损耗和衰减性能都有显著的提高。这说明石墨烯不仅是一种非常理想的吸波剂材料,可以作为良好的吸波剂添加到无机复合材料中,在吸波材料方面具有极大的应用价值,而且还是一种很好的宽频衰减剂,拓宽了石墨烯材料在吸波领域的研究及应用。4.石墨烯/碳化钛复合陶瓷材料的制备:采用Hummers方法制备GO,然后,利用溶液滴定法将GO滴加到碳化钛（TiC）悬浮液中,不断进行超声和机械搅拌,并将得到的复合粉体进行简单球磨使其分散均匀。最后采用SPS技术成功制备了致密的GNSs/TiC复合陶瓷材料。SPS烧结过程中,GO在高温真空条件下被还原成GNSs。通过微观结构和形貌表征,我们发现石墨烯的引入不仅显著细化了基体的晶粒大小,而且更为有趣的是仅仅添加少量的GNSs就几乎完全阻止了TiC晶粒的生长,即使其晶粒尺寸保持在原始粒径大小,这一现象从未被报道过,本文对此现象提出了烧结模型和烧结机理。力学性能研究表明,与纯TiC陶瓷材料相比,GNSs的加入显著提高了复合材料的抗弯强度和显微硬度,这主要是归功于基体晶粒尺寸的细化作用。断裂韧性的机理主要是裂纹的偏转,片层的桥接和拔出。