CN112226644A - 一种MXene增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MXene增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤制备MXene胶体溶液1）将M、Al、C粉末烧结形成陶瓷粉体，2）将陶瓷粉体材料置于盐酸与氟化锂混合液或氢氟酸腐蚀，清水洗涤腐蚀产物，使用去离子水配悬浊液并超声波分层、离心后制得MXene胶体溶液；制备MXene/铜复合材料1）配制铜盐、碱、葡萄糖的水溶液；2）取MXene胶体溶液与葡萄糖溶液混合得到混合液；3）将混合液和碱液倒入铜盐溶液中并进行乳化；4）乳化后的沉淀物用去离子水冲洗，使用无水乙醇冲洗脱水后真空干燥处理；5）干燥处理后的沉淀物粉在氢气中还原，还原后的粉体使用放电等离子烧结即得。本发明得到的MXene/铜复合材料，强度显著提高，力学性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料，尤其涉及一种MXene增强铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
铜及铜合金具良好的塑性和韧性,优异的导电导热性,易于加工成型和强耐腐蚀性,被广泛应用于电子电气、机械交通、能源、航空航天及国防工业等领域。但是它的强度低、耐磨性能差等缺点限制了其发展。
发明内容
本发明为了改善铜基材料的力学性能，提供了一种MXene增强铜基复合材料，本发明采用MXene增强铜基材料，MXene作为一种新型的二维层状纳米化合物，具有独特的二维层状结构和较大的比表面积，与铜结合后形成MXene/铜复合材料，强度显著提高，力学性能优异。
本发明所采取的技术方案为：一种MXene增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤
制备MXene胶体溶液
1）将M、Al、C粉末烧结形成陶瓷块体材料，将制备陶瓷块体材料进行研磨处理，得到陶瓷粉体，其中M为过渡金属；
2）将陶瓷粉体材料置于盐酸与氟化锂混合液或氢氟酸腐蚀，清水洗涤腐蚀产物，使用去离子水配悬浊液并超声波分层、离心后制得MXene胶体溶液；
制备MXene/铜复合材料
1）配制铜盐、碱、葡萄糖的水溶液，其中碱作为氧化剂，葡萄糖作为还原剂；
2）取MXene胶体溶液与葡萄糖溶液混合得到混合液，MXene胶体溶液与葡萄糖溶液会发生氧化还原反应；
3）将混合液和碱液倒入铜盐溶液中并进行乳化；
4）乳化后的沉淀物用去离子水冲洗，使用无水乙醇冲洗脱水后真空干燥处理；
5）干燥处理后的沉淀物粉在氢气中还原，还原后的粉体使用放电等离子烧结即得。
进一步的，所述M为Ti、Nb、V、Cr或Ta。
进一步的，所述陶瓷粉体为Mn+1AlCn（n=1,2,3），所述Mn+1AlCn的制备方法为：将M、Al、C粉末按照摩尔比（n+1）:1.2:n（n=1,2,3）混匀后，在1000～1800℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Mn+1AlCn（n=1,2,3）陶瓷块体材料，将制备的Mn+1AlCn陶瓷材料进行研磨处理，得到Mn+1AlCn陶瓷粉体。
进一步的，所述陶瓷粉体细度为100目～1200目。
进一步的，（1）将1g的陶瓷粉体加入5～25ml浓度为9～12mol/ml的盐酸与0.2～2g氟化锂的混合溶液中，或加入5～25ml HF含量为10～70的水溶液中，加入磁转子并在20～70℃的油浴环境中搅拌12～96h得到混合物悬浊液；
（2）用5～100ml去离子水洗涤腐蚀后的混合物悬浊液并离心，倒去上清液，重复多次至上清液PH值大于等于6；
（3）上清液PH值大于等于6后，继续使用5～100ml去离子水洗涤并离心，倒去上清液，重复3～5次；
最终清洗完成的混合物，加5～40ml去离子水，在氩气气氛保护下超声波分层处理，,超声过后混合液离心处理，取上层溶液即为单层MXene胶体溶液。
进一步的，乳化条件为混合溶液在60～100℃下使用高剪切均质乳化机乳化0.5～6h。
进一步的，沉淀物粉在氢气中还原温度100～400℃，时间1～10h。
进一步的，氢气还原后的粉体使用放电等离子烧结，烧结温度400～900℃，烧结时间1～60min，压强10～100MPa。
进一步的，所述铜盐为硫酸铜或氯化铜，所述碱液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
本发明还提供了一种根据上述的MXene增强铜基复合材料的制备方法制得的MXene增强铜基复合材料。
本发明所产生的有益效果包括：本发明提供的MXene增强铜基复合材料的制备方法工艺简单、成本低，制得的复合材料可使纯铜材料硬度提高45%以上，拉伸强度提高30%以上，压缩屈服强度提高42%以上。
具体来说，本发明相对于现有技术，具有以下突出优势：
（1）本发明有效的通过溶液反应的方式达，在溶液中MXene纳米层片上原位生成Cu或Cu的化合物，从而达到分子级别混合的方法，从而解决了MXene在基体中的分散性问题。
（2）本发明有效的解决了MXene在分散过程中的团聚问题，MXene层片表面负载了Cu或Cu的化合物，从而使得MXene降低了表面活性，改变了界面张力，使得自身很难团聚。
（3）采用该方法制备的MXene/铜复合材料强度显著提高，力学性能优异。
附图说明
图1为本发明方法实施案例1制得的MXene/铜复合材料的照片，从直尺刻度可以看到样品尺寸，可以明显看不到有MXene的局部团聚，表明达到的良好的分散，解决了MXene的团聚问题。
图2（实施案例1）、图3（实施案例2）、图4（实施案例3）分别为本发明方法制得的MXene/铜复合材料的硬度、拉伸强度和压缩屈服强度，从性能参数上可以明显看出，与纯铜材料相比较，本发明方法制备的MXene/铜复合材料具有良好的硬度、拉伸强度和压缩屈服强度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
实施例1
一种MXene增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
一、单层MXene的制备：
(1) 将Ti、Al、C粉末按照摩尔比3:1.2:2混匀后，在1500℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Ti3AlC2陶瓷块体材料，将制备的Ti3AlC2陶瓷材料用钻床钻粉，得到Ti3AlC2陶瓷粉体。制备的Ti3AlC2陶瓷粉体过325目筛处理；
(2) 将1g制备的Ti3AlC2陶瓷粉体加入10ml浓度为9mol/ml的盐酸与1g氟化锂的混合溶液中，加入磁转子并在35℃的油浴环境中搅拌24h，除去Ti3AlC2中的Al原子层；
(3) 用40ml去离子水洗涤腐蚀后的混合物悬浊液并离心，倒去上清液，重复多次至上清液PH值大于等于6；
(4) 上清液PH值大于等于6后，继续使用40ml去离子水洗涤并离心，倒去上清液，重复3～5次；
(5) 最终清洗完成的混合物，加20ml去离子水，在氩气气氛保护下超声波分层处理。超声过程中温度保持在35℃以下。超声过后混合液离心处理，上层溶液即为单层MXene胶体溶液。胶体溶液中MXene的浓度使用抽滤的方法确定。
二、MXene/铜复合材料的制备
(1) 将100g硫酸铜、40g氢氧化钠及160g葡萄糖分别于400ml、200ml和400ml水溶液中溶解；
(2) 取一定量MXene胶体溶液与葡萄糖溶液混合，与碱液先后倒入铜盐溶液中在60℃条件下使用高剪切均质乳化机乳化1h；
(3) 乳化后的沉淀物用去离子水冲洗至PH至7左右，使用无水乙醇冲洗脱水后真空干燥处理；
(4) 干燥处理后的沉淀物粉在氢气中还原，还原温度250℃，时间4h;
(5) 氢气还原后的粉体使用放电等离子烧结，烧结温度600℃，烧结时间5min，压强40MPa。
实施例2
一种MXene增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
一、单层MXene的制备：
(1) 将Ti、Al、C粉末按照摩尔比3:1.2:2混匀后，在1350℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Ti3AlC2陶瓷块体材料，将制备的Ti3AlC2陶瓷材料用钻床钻粉，得到Ti3AlC2陶瓷粉体。制备的Ti3AlC2陶瓷粉体过325目筛处理；
(2) 将1g制备的Ti3AlC2陶瓷粉体加入10ml浓度为12mol/ml的盐酸与1g氟化锂的混合溶液中，加入磁转子并在38℃的油浴环境中搅拌24h，除去Ti3AlC2中的Al原子层；
(3) 用50ml去离子水洗涤腐蚀后的混合物悬浊液并离心，倒去上清液，重复多次至上清液PH值大于等于6；
(4) 上清液PH值大于等于6后，继续使用50ml去离子水洗涤并离心，倒去上清液，重复3～5次；
(5) 最终清洗完成的混合物，加50ml去离子水，在氩气气氛保护下超声波分层处理。超声过程中温度保持在30℃以下。超声过后混合液离心处理，上层溶液即为单层MXene胶体溶液。胶体溶液中MXene的浓度使用抽滤的方法确定。
二、MXene/铜复合材料的制备
(1) 将94g氯化铜、56.1g氢氧化钾及160g葡萄糖分别于400ml、200ml和400ml水溶液中溶解；
(2) 取一定量MXene胶体溶液与葡萄糖溶液混合，与碱液先后倒入铜盐溶液中在70℃条件下使用高剪切均质乳化机乳化2h；
(3) 乳化后的沉淀物用去离子水冲洗至PH至7左右，使用无水乙醇冲洗脱水后真空干燥处理；
(4) 干燥处理后的沉淀物粉在氢气中还原，还原温度200℃，时间6h;
(5) 氢气还原后的粉体使用放电等离子烧结，烧结温度600℃，烧结时间5min，压强40MPa。
实施例3
一种MXene增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
一、单层MXene的制备：
(1) 将Ti、Al、C粉末按照摩尔比3:1.2:2混匀后，在1400℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Ti3AlC2陶瓷块体材料，将制备的Ti3AlC2陶瓷材料用钻床钻粉，得到Ti3AlC2陶瓷粉体。制备的Ti3AlC2陶瓷粉体过325目筛处理；
(2) 将1g制备的Ti3AlC2陶瓷粉体加入15ml浓度为9mol/ml的盐酸与1.6g氟化锂的混合溶液中，加入磁转子并在35℃的油浴环境中搅拌24h，除去Ti3AlC2中的Al原子层；
(3) 用40ml去离子水洗涤腐蚀后的混合物悬浊液并离心，倒去上清液，重复多次至上清液PH值大于等于6.4；
(4) 上清液PH值大于等于6.4后，继续使用40ml去离子水洗涤并离心，倒去上清液，重复3～5次；
(5) 最终清洗完成的混合物，加20ml去离子水，在氩气气氛保护下超声波分层处理。超声过程中温度保持在35℃以下。超声过后混合液离心处理，上层溶液即为单层MXene胶体溶液。胶体溶液中MXene的浓度使用抽滤的方法确定。
二、MXene/铜复合材料的制备
(1) 将100g硫酸铜、45g氢氧化钠及180g葡萄糖分别于400ml、200ml和400ml水溶液中溶解；
(2) 取一定量MXene胶体溶液与葡萄糖溶液混合，与碱液先后倒入铜盐溶液中在60℃条件下使用高剪切均质乳化机乳化1.5h；
(3) 乳化后的沉淀物用去离子水冲洗至PH至7左右，使用无水乙醇冲洗脱水后真空干燥处理；
(4) 干燥处理后的沉淀物粉在氢气中还原，还原温度250℃，时间6h;
(5) 氢气还原后的粉体使用放电等离子烧结，烧结温度800℃，烧结时间6min，压强50MPa。
图1为本发明方法实施案例1制得的MXene/铜复合材料的照片，从直尺刻度可以看到样品尺寸，可以明显看不到有MXene的局部团聚，表明达到的良好的分散，解决了MXene的团聚问题。
图2、图3、图4分别为实施例一制得的MXene/铜复合材料的硬度、拉伸强度和压缩屈服强度，图中横坐标为MXene相对于基体材料的含量，从性能参数上可以明显看出，与纯铜材料相比较，本发明方法制备的MXene/铜复合材料具有良好的硬度、拉伸强度和压缩屈服强度。
实施例2和实施例3所制备的材料硬度、拉伸强度和压缩屈服强度性能与实施例1所测性能相近。
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤
制备MXene胶体溶液
1）将M、Al、C粉末烧结形成陶瓷块体材料，将制备陶瓷块体材料进行研磨处理，得到陶瓷粉体，其中M为过渡金属；
2）将陶瓷粉体材料置于盐酸与氟化锂混合液或氢氟酸腐蚀，清水洗涤腐蚀产物，使用去离子水配悬浊液并超声波分层、离心后制得MXene胶体溶液；
制备MXene/铜复合材料
1）配制铜盐、碱、葡萄糖的水溶液；
2）取MXene胶体溶液与葡萄糖溶液混合得到混合液；
3）将混合液和碱液倒入铜盐溶液中并进行乳化；
4）乳化后的沉淀物用去离子水冲洗，使用无水乙醇冲洗脱水后真空干燥处理；
5）干燥处理后的沉淀物粉在氢气中还原，还原后的粉体使用放电等离子烧结即得。
2.根据权利要求1所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述M为Ti、Nb、V、Cr或Ta。
3.根据权利要求1所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉体为Mn+1AlCn（n=1,2,3），所述Mn+1AlCn的制备方法为：将M、Al、C粉末按照摩尔比（n+1）:1.2:n（n=1,2,3）混匀后，在1000～1800℃通过无压烧结工艺制备高纯三元层状Mn+1AlCn（n=1,2,3）陶瓷块体材料，将制备的Mn+1AlCn陶瓷材料进行研磨处理，得到Mn+1AlCn陶瓷粉体。
4.根据权利要求1所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉体细度为100目～1200目。
5.根据权利要求1或3所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：
（1）将1g的陶瓷粉体加入5～25ml浓度为9～12mol/ml的盐酸与0.2～2g氟化锂的混合溶液中，或加入5～25ml HF含量为10～70的水溶液中，加入磁转子并在20～70℃的油浴环境中搅拌12～96h得到混合物悬浊液；
（2）用5～100ml去离子水洗涤腐蚀后的混合物悬浊液并离心，倒去上清液，重复多次至上清液PH值大于等于6；
（3）上清液PH值大于等于6后，继续使用5～100ml去离子水洗涤并离心，倒去上清液，重复3～5次；
最终清洗完成的混合物，加5～40ml去离子水，在氩气气氛保护下超声波分层处理，,超声过后混合液离心处理，取上层溶液即为单层MXene胶体溶液。
6.根据权利要求1所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：乳化条件为混合溶液在60～100℃下使用高剪切均质乳化机乳化0.5～6h。
7.根据权利要求1所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：沉淀物粉在氢气中还原温度100～400℃，时间1～10h。
8.根据权利要求1所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：氢气还原后的粉体使用放电等离子烧结，烧结温度400～900℃，烧结时间1～60min，压强10～100MPa。
9.根据权利要求1所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铜盐为硫酸铜或氯化铜，所述碱液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
10.一种根据权利要求1所述的MXene增强铜基复合材料的制备方法制得的MXene增强铜基复合材料。
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