CN107058851A - 一种二维片层材料增强的金属基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二维片层材料增强的金属基复合材料，该材料以金属为基体，以二维过渡金属碳化物或碳氮化物，即MXenes作为增强相，MXenes颗粒均匀分散在金属基体颗粒中。由于Mxenes材料含有碳空位，偏金属性，因此金属基体有良好的润湿性，能够有效地改善金属基复合材料的界面结合强度，从而增强了金属基复合材料的力学及耐磨损等性能。同时，Mxenes材料与金属基体界面的“电子耦合”效应更好，能够避免现有技术中增强相在提高金属基复合材料力学性能和耐腐蚀性能的同时降低其导热导电性的问题。

Description

一种二维片层材料增强的金属基复合材料
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，尤其涉及一种二维片层材料Mxenes增强的金属基复合材料。
背景技术
金属基复合材料是被长期关注及研究的复合材料之一。在金属基体中添加不同的增强相，可获得具有良好的导热、导电性能，高断裂韧性、高强度、高刚度、强耐磨性、抗冲击、耐腐蚀、抗疲劳及低热膨胀系数的高性能复合材料。
但是，现有金属基复合材料的增强相存在损耗金属基体导热导电的问题。
二维过渡金属碳化物或碳氮化物，即MXenes，是由Gogotsi和Barsoum等人在2011年合作发现的具有二维片层结构的新型材料，一般可用Mn+1XnTz表示，其中M指过渡族金属(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc等)，X指C或/和N，n一般为1-3，Tz指表面基团(如O2-、OH-、F-、NH3、NH4 +等)。目前，MXenes一般来源于三元层状金属陶瓷Mn+1AXn相(M为过渡金属元素，A为主族元素，X为C和/或N，n一般为1～3，简称MAX相)，通过将MAX相中结合较弱的A位元素(如Al、Si等原子)抽出而得到。同石墨烯类似，MXenes具有优良的导电导热性，较高的比表面积，其单层结构具有高导电率、高弹性模量，高比表面积及高弯曲强度等性能特点。而且，多层的MXenes具有“类手风琴”结构，不易团聚；同时，其表面带有的丰富基团能够作为铁/镍/钴等离子的合适配体。
发明内容
本发明提供了一种新型的金属基复合材料，选用二维片层结构材料Mxenes作为增强相，能够改善金属基复合材料的力学性能、耐腐蚀性能以及导热导电性。
即，本发明的技术方案为：一种二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：以金属材料为基体，二维过渡金属碳化物或碳氮化物，即MXenes，作为增强相，所述的MXenes片层结构均匀分散在金属基体中。
所述金属基体材料不限，包括铜、铝、镁、镍、铁、铬、锌、银等中的一种或者其合金。
所述的MXenes材料用Mn+1XnTz表示，其中M指过渡族金属(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc等)，X指C或/和N，n一般为1-3，Tz指表面基团(如O2-、OH-、F-、NH3、NH4 +等)，包括但不限于Ti3C2、Ti2C、Nb2C、V2C、(Ti0.5,Nb0.5)2C、(V0.5,Cr0.5)3C2、Ti3CN、Ta4C3等。
所述的MXenes的制备方法不限，可以通过将三元层状金属陶瓷Mn+1AXn相(M为过渡金属元素，A为主族元素，X为C和/或N，n一般为1～3)中结合较弱的A位元素(如Al、Si等原子)抽出而制得。
所述的Mxenes材料的形态不限，包括单层状以及多层的手风琴状、书页状等。
所述的二维片层材料增强金属基复合材料的形态不限，包括粉体、块体等。其粉体的制备方法不限，包括粉末冶金法，溶液原位还原法、气相沉积法、电化学沉积法等。其块体通过将其粉体进行烧结而得到，所述的烧结包括的烧结方法不限，包括SPS烧结、热压烧结、无压烧结、冷压烧结、热等静压烧结、微波烧结法、熔炼法等。
与现有技术相比，本发明通过采用新型二维片层结构的Mxenes材料作为金属基体的增强相，具有如下有益效果：
(1)Mxenes材料含有碳空位，偏金属性，与金属基体有良好的润湿性，有效地改善了金属基复合材料的界面结合强度，从而增强了金属基复合材料的力学及耐磨损等性能。
(2)Mxenes材料的偏金属性，使其与金属基体界面的“电子耦合”效应更好，相比传统增强相材料，能够有效缓解金属基体与增强相界面的高热阻、高电阻问题，从而改善金属基复合材料的导热、导电性能，从而能够避免现有技术中增强相在提高金属基复合材料力学性能和耐腐蚀性能的同时降低其导热导电性的问题。
(3)调节灵活；对于不同的金属基体材料可针对地选用不同的Mxenes材料进行复合，获得复合材料；对于同种金属基体材料可通过调节Mxenes材料的种类及结构形态，和/或复合材料制备方法等而实现对金属基复合材料性能，例如力学性能、耐腐蚀性能和/或导热导电性的调节。
附图说明
图1是本发明实施例1中Mxenes材料Ti3C2Tx的XRD图谱；
图2是本发明实施例1中Mxenes材料Ti3C2Tx的SEM图谱；
图3是本发明实施例1中镍基复合材料断面的SEM图谱；
图4是本发明实施例2中铜基复合材料断面的SEM图谱。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，金属基复合材料是以镍为基体，以Mxenes材料Ti3C2Tx为增强相的复合材料块体材料，其中Ti3C2Tx颗粒均匀分散在镍基体颗粒中。
上述Ti3C2Tx通过将三元层状金属陶瓷Ti3AlC2相中的Al原子抽出而制得。对该Ti3C2Tx粉体进行XRD衍射图谱分析，结果如图1所示，显示该固体产物为Ti3C2Tx，其中Ti与C的摩尔比Ti:C>1:1，即，Ti3C2Tx含有碳空位。对该Ti3C2Tx粉体进行SEM分析，结果如图2所示，显示该固体产物呈多层的手风琴状。
该复合材料块体通过其粉体进行SPS烧结而得到，该复合材料的粉体采用粉末冶金法制备。具体的制备方法如下：
(1)按照Ti3C2Tx粉体与镍粉的摩尔含量之比为1：20将Ti3C2Tx粉体与镍粉经湿法球磨均匀混合，得复合材料浆料；
(2)将复合材料浆料在真空干燥箱中烘干，研磨，过筛，得复合材料粉体；
(3)将复合材料粉体在氢气中还原，得镍/Ti3C2Tx复合材料粉体；
(4)将镍/Ti3C2Tx复合材料粉体经SPS烧结，获得Ti3C2Tx增强的镍基复合材料块体。
对上述制得的复合材料块体的断面进行SEM分析，结果如图3所示：由图3中箭头所指位置可观察到粘附在基体上的Ti3C2Tx片，说明在制备过程中部分Ti3C2Tx片从手风琴结构中撕裂均匀分散在基体中，与基体形成紧密结合。由于Ti3C2Tx含有碳空位，因此与镍基体有良好的润湿性，有效地改善了金属基复合材料的界面结合强度，从而增强了金属基复合材料的力学及耐磨损等性能；另外，由于Ti3C2Tx具有高的导电率，作为增强相可有效地改善镍基复合材料的导电性。
实施例2：
本实施例中，金属基复合材料是以铜为基体，以Mxenes材料Ti3C2Tx为增强相的复合材料块体，其中Ti3C2Tx颗粒均匀分散在铜基体颗粒中。
与实施例1相同，该Ti3C2Tx通过将三元层状金属陶瓷Ti3AlC2相中的Al原子抽出而制得。对该Ti3C2Tx粉体进行XRD衍射图谱分析，结果如图1所示，显示该固体产物为Ti3C2Tx，其中Ti与C的摩尔比Ti:C>1:1，即，Ti3C2Tx含有碳空位。对该Ti3C2Tx粉体进行SEM分析，结果类似图2所示，显示该固体产物呈多层的手风琴状。
对上述采用的Ti3C2Tx粉体进行XRD衍射图谱分析，结果如图1所示，显示该固体产物为Ti3C2Tx。
对上述采用的Ti3C2Tx粉体进行SEM分析，结果如图2所示，显示该固体产物形态书页状。
该复合材料块体通过其粉体进行SPS烧结而得到，该复合材料的粉体采用溶液原位还原法制备。具体的制备方法如下：
(1)按照Ti3C2Tx粉体与铜粉的摩尔含量之比为1：20将Ti3C2Tx粉体与硝酸铜溶液经磁力搅拌均匀混合，然后加入葡萄糖溶液，超声30min；接着，加入氢氧化钠溶液，搅拌均匀，在50℃下反应，最后水洗、过滤、干燥，即得铜/Ti3C2Tx的复合材料粉体；
(2)将该铜/Ti3C2Tx复合材料粉体在300℃氢气中还原、研磨、过筛，即得铜/Ti3C2Tx的复合材料粉体；
(3)将铜/Ti3C2Tx的复合材料粉体经SPS烧结，获得Ti3C2Tx增强的铜基复合材料块体。
对上述制得的复合材料块体断面进行SEM分析，结果如图4所示：在超声作用下，一方面使多层的Ti3C2Tx结构被打开形成单片Ti3C2Tx，另一方面使Ti3C2Tx均匀分散在基体中，可观察到Ti3C2Tx薄片层紧密贴覆在铜基体上，由于Ti3C2Tx含有碳空位，因此与铜有良好的润湿性，有效地增强了金属基复合材料的界面结合强度；另外，由于Ti3C2Tx具有高的导电率，作为增强相在提高铜基复合材料的力学性能的同时可缓解基体材料导热导电性的损耗。
实施例3：
本实施例中，金属基复合材料是以镁为基体，以Mxenes材料Ti3C2Tx为增强相的复合材料块体，其中Ti3C2Tx颗粒均匀分散在镁基体颗粒中。
与实施例1相同，该Ti3C2Tx通过将三元层状金属陶瓷Ti3AlC2相中的Al原子抽出而制得。对该Ti3C2Tx粉体进行XRD衍射图谱分析，结果如图1所示，显示该固体产物为含有碳空位的Ti3C2Tx。对该Ti3C2Tx粉体进行SEM分析，结果类似图2所示，显示该固体产物呈手风琴状。
该复合材料块体通过其粉体进行SPS烧结而得到，该复合材料的粉体采用溶液原位还原法制备。具体的制备方法与实施例2基本相同，所不同的是将步骤(1)中的镍粉替换为镁粉。
对上述制得的复合材料块体断面进行SEM分析，显示该复合材料中Ti3C2Tx片层结构均匀分散在镁基体中，与镁基体有良好的润湿性。
该镁基复合材料中，Ti3C2Tx与镁有良好的润湿性，有效地增强了金属基复合材料的界面结合强度；另外，由于Ti3C2Tx具有高的导电率，作为增强相在提高铜基复合材料的力学性能的同时可缓解基体材料导热导电性的损耗。
以上所述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：以金属材料为基体，二维过渡金属碳化物或碳氮化物，即MXenes，作为增强相，所述的MXenes片层结构均匀分散在金属基体中。
2.如权利要求1所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：所述的金属基体包括铜、铝、镁、镍、铁、铬、锌、银中的一种或者其合金。
3.如权利要求1所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：所述的Mxenes材料通过将三元层状金属陶瓷Mn+1AXn相中的A位元素抽出而制得；
M为过渡金属元素，A为主族元素，X为C和/或N，n为1～3。
4.如权利要求1所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：所述的A位元素是Al原子或者Si原子。
5.如权利要求1所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：所述的Mxenes材料包括Ti3C2、Ti2C、Nb2C、V2C、(Ti0.5,Nb0.5)2C、(V0.5,Cr0.5)3C2、Ti3CN、Ta4C3中的一种或者两种以上的混合物。
6.如权利要求1所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：所述的Mxenes材料呈单层状以及多层的手风琴状、书页状。
7.如权利要求1所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：呈粉体或者块体。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：其粉体采用粉末冶金法、溶液原位还原法、气相沉积法或者电化学沉积法制得。
9.如权利要求1至7中任一权利要求所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：其块体通过将其粉体进行烧结而得到，所述的烧结包括SPS烧结、热压烧结、无压烧结、冷压烧结、热等静压烧结、微波烧结法，或者熔炼法。
10.如权利要求1至7中任一权利要求所述的二维片层材料增强的金属基复合材料，其特征是：通过调节Mxenes材料的种类及形态和/或所述金属基复合材料的制备方法调节所述金属基复合材料的力学性能、耐磨性能和/或导热导电性能。
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