CN109777352A - 超耐磨新型二维复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超耐磨新型二维复合材料的制备方法。所述制备方法可以为涂覆法，包括：将新型二维材料A撒到基底表面，将零维材料B和/或二维材料C撒在所述新型二维材料A表面，向所述新型二维材料A表面与零维材料B和/或二维材料C表面加溶剂，用刮板涂覆直至所述新型二维材料A、零维材料B和/或二维材料C与所述溶剂混合均匀，使所述溶剂挥发，得到负载在所述基底上的所述超耐磨新型二维复合材料。本申请的方法制备得到的超耐磨新型二维复合材料能够满足对耐磨性有较高需求的材料或零部件的耐磨需求。
Description
技术领域
本申请涉及机械工程的表面处理技术，尤指超耐磨新型二维复合材料及其制备方法。
背景技术
新型二维材料(化学式Mn+1Xn)是指包括二维过渡金属碳化物、氮化物、碳氮化物，具有特殊层状结构的一类二维材料，其通过将化学式为Mn+1YXn的原料中的Y刻蚀后形成，其中M是过渡金属元素，Y是主族元素，X为碳和/或氮元素，n＝1、2、3，得到的Mn+1Xn仍能保持特殊的二维层状结构，用作润滑剂时能起到一定的耐磨作用(Naguib等人,25th anniversaryarticle:MXenes:a new family of two-dimensional materials,Advanced Materials，2014，26(7):992-1005)。但是，当在常规高湿度环境中储存或长时间发生摩擦时，新型二维材料的层状结构会遭到破坏，使得耐磨性能失效，无法保护对耐磨有需求的材料或零部件，因此对新型二维材料的耐磨性能提出了更高的要求。新型二维复合材料是在新型二维材料的基础上发展而来的一类新型材料，它不仅具有新型二维材料的层状结构和新型层内结构，当复合普通零维材料或另外一种普通二维材料时，还赋予新型二维材料更好的性能，使得新型二维材料呈现极好的耐磨性能。目前，新型二维复合材料常采用配置溶液或直接撒粉末的方法制备，但是采用这两种方法制备得到的新型二维复合材料的耐磨性能较差，不能满足对耐磨有较高需求的材料或零部件的耐磨需求。
因此，需要开发新的新型二维复合材料制备技术，以满足对耐磨有较高需求的材料或零部件的耐磨需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了两种超耐磨新型二维复合材料的制备方法，这两种方法制备得到的新型二维复合材料具有优异的耐磨性能，能够满足对耐磨有较高需求的材料或零部件的耐磨需求。
本申请提供了一种超耐磨新型二维复合材料的制备方法，所述制备方法为涂覆法，包括：将新型二维材料A撒到基底表面，将零维材料B和/或二维材料C撒在所述新型二维材料A表面，向所述新型二维材料A表面与零维材料B和/或二维材料C表面加溶剂，用刮板涂覆直至所述新型二维材料A、零维材料B和/或二维材料C与所述溶剂混合均匀，使所述溶剂挥发，得到负载在所述基底上的所述超耐磨新型二维复合材料；
其中，所述新型二维材料A化学式为Mn+1Xn，M为过渡金属元素，X为碳和/或氮，n＝1、2、3。
在本申请实施例中，所述新型二维材料A:所述零维材料B和/或所述二维材料C的质量比可以为10000:1～1:10000。
在本申请实施例中，在化学式Mn+1Xn中，M可以包括钛、钪、锆、铌、钒、钽、铬和钼中的任意一种或多种；优选地，所述新型二维材料A为二维二碳化三钛(Ti3C2)。
在本申请实施例中，所述零维材料B可以选自纳米金刚石、纳米银和纳米立方氮化硼中的任意一种或多种；优选地，所述零维材料B为纳米金刚石。
在本申请实施例中，所述二维材料C可以选自石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钼和二硫化钨中的任意一种或多种；优选地，所述二维材料C为石墨烯。
在本申请实施例中，所述基底可以为金属(包括钢、铜)、金属氧化物(包括氧化铝)、硅、陶瓷(包括氮化硅、氧化锆)、塑料(包括聚四氟乙烯、尼龙)等；优选地，所述基底为硅。
在本申请实施例中，所述溶剂可以为无水乙醇、丙酮、乙二醇或丙二醇；优选地，所述溶剂为无水乙醇。
在本申请实施例中，所述溶剂:(所述新型二维材料A与所述零维材料B和/或所述二维材料C的总和)的质量比可以为100000:1～1:100000。
本申请还提供了另外一种超耐磨新型二维复合材料的制备方法，所述制备方法为沉积法，包括：将基底放置在容器底部，向所述容器中加入溶剂，将新型二维材料A与零维材料B和/或二维材料C加入所述容器中，然后将所述容器密封并进行超声震荡直至所述容器内的材料混合均匀，在室温下静置，直至所述容器内的材料全部沉积在所述基底表面，得到超耐磨新型二维复合材料半成品，将所述新型二维复合材料半成品从所述容器中取出并使其中的溶剂挥发，得到负载在所述基底上的所述超耐磨新型二维复合材料；
其中，所述新型二维材料A化学式为Mn+1Xn，M为过渡金属元素，X为碳和/或氮，n＝1、2、3。
在本申请实施例中，所述新型二维材料A:所述零维材料B和/或所述二维材料C的质量比可以为10000:1～1:10000。
在本申请实施例中，在化学式Mn+1Xn中，M可以包括钛、钪、锆、铌、钒、钽、铬和钼中的任意一种或多种；优选地，所述新型二维材料A为二维二碳化三钛(Ti3C2)。
在本申请实施例中，所述零维材料B可以选自纳米金刚石、纳米银和纳米立方氮化硼中的任意一种或多种；优选地，所述零维材料B为纳米金刚石。
在本申请实施例中，所述二维材料C可以选自石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钼和二硫化钨中的任意一种或多种；优选地，所述二维材料C为石墨烯。
在本申请实施例中，所述基底可以为金属(包括钢、铜)、金属氧化物(包括氧化铝)、硅、陶瓷(包括氮化硅、氧化锆)、塑料(包括聚四氟乙烯、尼龙)等；优选地，所述基底为硅。
在本申请实施例中，所述溶剂可以为无水乙醇、丙酮、乙二醇或丙二醇；优选地，所述溶剂为无水乙醇。
在本申请实施例中，所述溶剂:(所述新型二维材料A与所述零维材料B和/或所述二维材料C的总和)的质量比可以为100000:1～1:100000。
本申请还提供了通过如上两种方法制备得到的超耐磨新型二维复合材料。
本申请的方法制备得到的新型二维复合材料具有优异的耐磨性能，经过摩擦磨损测试后在磨痕的横截面仅能看到极小磨损，磨损率不可测量，低于仪器探测极限，因此制备得到的超耐磨新型二维复合材料能够满足对耐磨性有较高需求的材料或零部件的耐磨需求。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在本申请中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例1在硅片基底上制备的超耐磨新型二维复合材料经过摩擦磨损测试后的二维白光干涉形貌照片。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请中的新型二维材料A(化学式Mn+1Xn)可以通过选择性剥离Mn+1YXn中的Y得到，具体反应过程如下：
2Mn+1AlXn+6HF→2Mn+1Xn+2AlF3+3H2↑ (1-1)
2Mn+1Xn+2H2O→Mn+1Xn(OH)2+H2↑ (1-2)
Mn+1Xn+2HF→Mn+1XnF2+H2↑ (1-3)
具体地，以下实施例中所采用的二维二碳化三钛(Ti3C2)通过下述方法制备得到：利用氢氟酸溶液选择性剥离Ti3AlC2中的Al层元素，得到二维Ti3C2材料。具体步骤包括：将Ti粉、Al粉、TiC粉按照1.0：1.2：2.0的摩尔比混合，球磨4小时，在150℃下烘干2小时，在1350℃真空烧结，再冷却及球磨2小时，得到Ti3AlC2粉；采用40wt％的HF溶液在150W的功率下超声剥离Ti3AlC2中的Al层元素，超声刻蚀时间为24小时。
以下实施例中所采用的其他原料和试剂，均为普通市售产品。
实施例1
先将30mg的二维二碳化三钛(Ti3C2)粉末均匀撒到硅片表面，随后将30mg的纳米金刚石粉末(上海阿拉丁生化科技股份有限公司，N140011)均匀撒在铺满二维Ti3C2粉末的硅片表面，缓慢滴加0.2mL的无水乙醇至撒满二维Ti3C2粉末和纳米金刚石粉末的硅片的表面，并用刮板涂覆使得两种粉末和无水乙醇混合均匀，放置在室温环境中，待无水乙醇挥发完全，得到超耐磨新型二维复合材料。
实施例2
先将30mg的二维二碳化三钛(Ti3C2)粉末均匀撒到硅片表面，随后将30mg的单层石墨烯粉末(上海阿拉丁生化科技股份有限公司，G139804)均匀撒在铺满二维Ti3C2粉末的硅片的表面，缓慢滴加0.2mL的无水乙醇至撒满二维Ti3C2粉末和石墨烯粉末的硅片表面，并用刮板涂覆使得两种粉末和无水乙醇混合均匀，放置在室温环境中，待无水乙醇挥发完全，得到超耐磨新型二维复合材料。
实施例3
先将硅片轻轻平放在玻璃烧杯底部，向玻璃烧杯加入10mL无水乙醇；然后将30mg二维二碳化三钛(Ti3C2)粉末、30mg纳米金刚石粉末分别缓慢加入到盛有无水乙醇的烧杯中；将烧杯密封后，在室温下超声震荡1小时(超声功率为200W，频率为40kHz)，随后在室温环境中静置24小时，使烧杯内的材料全部沉积在硅片表面，得到超耐磨新型二维复合材料半成品；用镊子轻轻将得到的超耐磨新型二维复合材料半成品从烧杯中夹出，放置在室温环境中，待无水乙醇挥发完全，得到超耐磨新型二维复合材料。
对比例1
采用现有的配置溶液的方式制备新型二维复合材料，制备方法包括：向玻璃试管中加入20ml无水乙醇，然后用电子天平分别称量0.2mg二维二碳化三钛(Ti3C2)粉末和0.2mg纳米金刚石粉末，加入到试管中，密封后在室温下超声震荡0.5小时(超声功率为200W，频率为40kHz)使分散均匀。随后用滴定管吸取少量该溶液滴在硅片上，待溶剂挥发后进行球-盘摩擦实验，实验结束后硅片表面有磨损，磨痕深度0.54μm。
对比例2
采用现有的直接撒粉末的方式制备新型二维复合材料，制备方法包括：用电子天平分别称量0.2mg二维二碳化三钛(Ti3C2)粉末和0.2mg纳米金刚石粉末，撒在测试硅片上，轻微搅拌使两种粉末混合，随后进行球-盘摩擦实验，实验结束后硅片表面有磨损，磨痕深度0.37μm。
性能测试
(1)首先对实施例1制备得到的超耐磨新型二维复合材料进行摩擦磨损测试，采用的仪器为可控环境摩擦磨损仪(美国CETR公司，UMT-3)，测试模式为往复式，参数：载荷为1N，频率为2Hz，测试温度为室温，湿度为10％。
(2)对经过摩擦磨损测试后的超耐磨新型二维复合材料进行表面形貌测试，采用的仪器为三维光学表面轮廓仪(加拿大ZYGO公司，NewViewTM 8000)。实施例1制备的超耐磨新型二维复合材料在经过摩擦磨损测试后的表面形貌如图1所示，其他实施例制备的超耐磨新型二维复合材料的测试结果与图1类似，在此不再一一列出。
图1中的曲线表示硅片基底经过摩擦实验后的表面磨痕形貌，在横坐标220μm和1180μm两处的峰是由新型二维复合材料堆积造成的，并不表示硅片基底表面的磨损，硅片基底表面的磨损由横坐标中间部分的轮廓(700μm处)表示。测试结果表明，在磨痕的横截面仅能看到极小磨损，磨损率不可测量，低于仪器探测极限。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种超耐磨新型二维复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为涂覆法，包括：将新型二维材料A撒到基底表面，将零维材料B和/或二维材料C撒在所述新型二维材料A表面，向所述新型二维材料A表面与零维材料B和/或二维材料C表面加溶剂，用刮板涂覆直至所述新型二维材料A、零维材料B和/或二维材料C与所述溶剂混合均匀，使所述溶剂挥发，得到负载在所述基底上的所述超耐磨新型二维复合材料；
其中，所述新型二维材料A化学式为Mn+1Xn，M为过渡金属元素，X为碳和/或氮，n＝1、2、3。
2.一种超耐磨新型二维复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为沉积法，包括：将基底放置在容器底部，向所述容器中加入溶剂，将新型二维材料A与零维材料B和/或二维材料C加入所述容器中，然后将所述容器密封并进行超声震荡直至所述容器内的材料混合均匀，在室温下静置，直至所述容器内的材料全部沉积在所述基底表面，得到超耐磨新型二维复合材料半成品，将所述新型二维复合材料半成品从所述容器中取出并使其中的溶剂挥发，得到负载在所述基底上的所述超耐磨新型二维复合材料；
其中，所述新型二维材料A化学式为Mn+1Xn，M为过渡金属元素，X为碳和/或氮，n＝1、2、3。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述新型二维材料A:所述零维材料B和/或所述二维材料C的质量比为10000:1～1:10000。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，在化学式Mn+1Xn中，M包括钛、钪、锆、铌、钒、钽、铬和钼中的任意一种或多种；优选地，所述新型二维材料A为二维二碳化三钛。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述零维材料B选自纳米金刚石、纳米银和纳米立方氮化硼中的任意一种或多种；优选地，所述零维材料B为纳米金刚石。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述二维材料C选自石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钼和二硫化钨中的任意一种或多种；优选地，所述二维材料C为石墨烯。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述基底为金属、金属氧化物、硅、陶瓷或塑料；优选地，所述基底为硅。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述溶剂为无水乙醇、丙酮、乙二醇或丙二醇；优选地，所述溶剂为无水乙醇。
9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述溶剂:(所述新型二维材料A与所述零维材料B和/或所述二维材料C的总和)的质量比为100000:1～1:100000。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法得到的超耐磨新型二维复合材料。
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