CN117238580B - MXene/铜层状复合导电材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MXene/铜层状复合导电材料及其制备方法，涉及铜基导电复材的技术领域，本发明旨在提出一种新的制备方法，解决液相电沉积法造成MXene材料受损的问题。本发明包括以下步骤：S1、在铜箔的两面制备Ti薄膜，得到Ti/Cu/Ti材料；S2、将所述Ti/Cu/Ti材料置于放入CVD炉，在第一混合气流下加热至600‑1000℃；随后切断第一混合气流，同时引入第二混合气流,保持预定时间后得到MXene/Cu/MXene材料；S3、将若干片所述MXene/Cu/MXene材料层叠放入热压炉模具中，经真空热压后得到最终产物MXene/铜层状复合导电材料。
Description
技术领域
本发明涉及铜基导电复材的技术领域，具体涉及一种MXene/铜层状复合导电材料及其制备方法。
背景技术
铜基复合导电材料是一种新兴的导电材料体系，一般由增强体和铜基体复合组成，它在发挥各组分材料的本征性能优势的同时，还通过协同效应使性能优势得到互补。MXene材料是一种二维过渡金属碳/氮化物材料，具有高载流子迁移率、宽可调功函数和优越的机械性能，有望成为能够与铜基体良好复合并在协同效应下能够发挥本征优势、互补铜优势的增强体材料。然而，现有技术中的MXene/铜复合材料的制备方法为液相电沉积法，这种方法会导致MXene材料片层撕裂，导致MXene材料受损，进而导致MXene沉积在铜上时厚度不均匀，影响电子的传输速率，进而影响电导率。因此，开发一种固相反应法制备MXene/铜复合材料，充分发挥MXene的本征性能优势，提高MXene/铜复合材料的电导率，具有重要的科研意义。
发明内容
本发明提出了一种MXene/铜层状复合导电材料制备方法，包括以下步骤：
S1、在铜箔的两面制备Ti薄膜，得到Ti/Cu/Ti材料；
S2、将所述Ti/Cu/Ti材料置于放入CVD炉，在第一混合气流下加热至600-1000℃；随后切断第一混合气流，同时引入第二混合气流,保持预定时间后得到MXene/Cu/MXene材料；
S3、将若干片所述MXene/Cu/MXene材料层叠放入热压炉模具中，经真空热压后得到最终产物MXene/铜层状复合导电材料。
上述制备方法的进一步设置为：在所述步骤S1中，利用电子束蒸发系统于真空条件下在铜箔两面均制备Ti薄膜。
上述制备方法的进一步设置为：所述第一混合气流包括Ar与H2。
第一混合气流为后续的反应过程提供了还原气氛。
上述制备方法的进一步设置为：所述第二混合气流包括Ar与TiCl4的预混气和Ar与CH4的预混气。
Cu表面的Ti纳米层在高温条件下与通入的第二混合气流中的TiCl4和CH4发生反应，生成Ti2CClx，这一过程中不会对Ti纳米层造成破损，Ti纳米层各处均匀参与反应，最终得到的MXene材料会表现的均匀完好。
上述制备方法的进一步设置为：所述第二混合气流中，Ar与TiCl4的预混气的气流量为24-120sccm，Ar与CH4的预混气的气流量为1-5sccm。
上述制备方法的进一步设置为：所述第二混合气流包括Ar与TiCl4的预混气和N2。
Cu表面的Ti纳米层在高温条件下与通入的第二混合气流中的TiCl4和N2发生反应，生成Ti2NClx，这一过程中不会对Ti纳米层造成破损，Ti纳米层各处均匀参与反应，最终得到的MXene材料会表现的均匀完好。
上述制备方法的进一步设置为：Ar与TiCl4的预混气的气流量为24-120sccm，N2的气流量为0.1-0.5sccm。
上述制备方法的进一步设置为：所述步骤S3中，真空度小于10-3 Pa的环境，热压炉内温度经过5分钟加热至100℃进行预热，然后经过30分钟均匀升温升压到800-950℃和50-80MPa，保温保压40-60分钟，随后自然冷却至炉内温度小于100℃后卸压。
本发明提出了一种MXene/铜层状复合导电材料，由上述所述的制备方法进行制备。
本发明的有益效果为：
本发明首次提出固相生长反应制备MXene/铜复合导电材料的方法，解决了传统液相法制备过程中MXene材料受损严重的问题，所得的MXene/铜复合导电材料拥有高于标准退火纯铜100%IACS的良好电导率。
具体实施方式
本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明中。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员能够在不脱离本发明内容、精神和范围对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
制备例1
S1、选取16片厚度相同且均在25µm，尺寸为2cm×2cm的商业多晶铜箔作为衬底，再选取纯度大于等于99.999%的钛金属颗粒作为蒸发源，利用电子束蒸发系统于真空度小于5×10-4，蒸发距离为50cm，蒸发电压为10kV，蒸发速率为24nm/min的条件下在铜箔两面均制备300nm厚的Ti薄膜，得到16片具有层状结构的Ti/Cu/Ti材料。
S2、将所有Ti/Cu/Ti材料置于氮化硼方舟内，放入CVD管式炉加热区，在第一混合气流下于20分钟内加热至950°C。随后切断第一混合气流，同时引入第二混合气流，保持20min后，得到具有层状结构的MXene/Cu/MXene材料，MXene为Ti2CClx，x=1-2。第一混合气流为Ar和H2的混合气，气流量为300sccm。第二混合气流包括Ar和TiCl4的预混气和Ar和CH4的预混气，气流量分别为120sccm和5sccm。其中，Ar和TiCl4的体积比为49:1；Ar和CH4的体积比为19:1。
将所有MXene/Cu/MXene材料对齐叠放，放入热压炉石墨模具中，在真空度小于10- 3Pa的环境下，炉内温度经过5分钟加热至100℃进行预热，然后经过30分钟均匀升温升压到900℃和60MPa，保温保压50分钟，随后自然冷却至炉内温度小于100℃后卸压，得到最终产物MXene/铜层状复合导电材料。
制备例2
S1、电子束蒸发制备Ti薄膜：选取16片厚度均为25µm，尺寸为2cm×2cm的商业多晶铜箔作为衬底，再选取纯度为99.999%的钛金属颗粒作为蒸发源，利用电子束蒸发系统于真空度小于5×10-4，蒸发距离为50cm，蒸发电压为10kV，蒸发速率为24nm/min的条件下在铜箔两面均制备300nm厚的Ti薄膜，得到16片具有层状结构的Ti/Cu/Ti材料。
S2、将所有Ti/Cu/Ti材料置于氮化硼方舟内，放入CVD管式炉加热区，在第一混合气流下于20分钟内加热至650°C。随后切断第一混合气流，同时引入第二混合气流，保持20min后，得到具有层状结构的MXene/Cu/MXene材料，MXene为Ti2NClx，X=1-2。第一混合气流为Ar和H2的混合气，气流量为300sccm。第二混合气流包括Ar和TiCl4的预混气和N2，气流量分别为120sccm和0.5sccm。其中，Ar和TiCl4的体积比为49:1。
S3、将所有MXene/Cu/MXene材料对齐叠放，放入热压炉石墨模具中，在真空度小于10-3Pa的环境下，炉内温度经过5分钟加热至100℃进行预热，然后经过30分钟均匀升温升压到900℃和60MPa，保温保压50分钟，随后自然冷却至炉内温度小于100℃后卸压，得到最终产物MXene/铜层状复合导电材料。
对比例
S1、将MAX相Ti2AlC材料作为前驱体、CdCl2作为刻蚀剂、NaCl与KCl作为无机盐，按摩尔比1:3:2:2充分混合并研磨，于氩气保护下升至温度600°C，保温4h，得到多层Ti2CClx材料。将多层Ti2CClx材料按照0.2g/10ml比例加入25%TMAOH水溶液，于氩气保护下控制搅拌温度35°C，搅拌时间24h，充分剥离得到二维Ti2CClx材料分散液。
S2、选取16片厚度均为25µm，尺寸为2cm×2cm的商业多晶铜箔作为衬底，在电压3V、时间10分钟，35°C的条件下，用电沉积法将二维Ti2CClx分散液沉积到16片铜箔上，随后在60°C的真空烘箱中干燥12小时，得到具有层状结构的Ti2CClx/Cu/Ti2CClx材料。
S3、将所有Ti2CClx/Cu/Ti2CClx材料对齐叠放，放入热压炉石墨模具中，在真空度小于10-3Pa的环境下，炉内温度经过5分钟加热至100℃进行预热，然后经过30分钟均匀升温升压到900℃和60MPa，保温保压50分钟，随后自然冷却至炉内温度小于100℃，卸压后得到的便是基于现有技术制备的MXene/铜层状复合导电材料。
电导率测试
利用范德堡法分别测试制备例1、制备例2以及对比例中分别制备的MXene/铜层状复合导电材料。测量过程需要将正方形的MXene/铜复合导电材料放置在一个均匀磁场中，并在材料表面四个边上分别布置四个电极，电极与材料接触点尽可能小，并保证两个对角线电极连线相互垂直。在这四个电极对之间分别测量材料的电阻值，通过比较这些电阻值计算出材料的电导率，并将单位换算为国际退火铜标准的百分数，其电导率结果分别为101.13%IACS 、103.56%IACS 、86.38%IACS。从测试结果看出，基于本发明制备方法制备的MXene/铜复合导电材料的电导率均超过了100%IACS，具有更加良好的电学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应是为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种MXene/铜层状复合导电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在铜箔的两面制备Ti薄膜，得到Ti/Cu/Ti材料；
S2、将所述Ti/Cu/Ti材料置于放入CVD炉，在第一混合气流下加热至600-1000℃；随后切断第一混合气流，同时引入第二混合气流,保持预定时间后得到MXene/Cu/MXene材料；
所述第一混合气流用于提供还原气氛，所述第二混合气流用于参与反应；
所述第一混合气流包括Ar与H2；
所述第二混合气流包括Ar与TiCl4的预混气和Ar与CH4的预混气，MXene为Ti2CClx，x=1-2；
或者，所述第二混合气流包括Ar与TiCl4的预混气和N2；MXene为Ti2NClx，X=1-2；
S3、将若干片所述MXene/Cu/MXene材料层叠放入热压炉模具中，经真空热压后得到最终产物MXene/铜层状复合导电材料。
2.根据权利要求1所述的MXene/铜层状复合导电材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，利用电子束蒸发系统于真空条件下在铜箔两面均制备Ti薄膜。
3.根据权利要求1所述的MXene/铜层状复合导电材料的制备方法，其特征在于：所述第二混合气流中，Ar与TiCl4的预混气的气流量为24-120sccm，Ar与CH4的预混气的气流量为1-5sccm。
4.根据权利要求1所述的MXene/铜层状复合导电材料的制备方法，其特征在于：Ar与TiCl4的预混气的气流量为24-120sccm，N2的气流量为0.1-0.5sccm。
5.根据权利要求1所述的MXene/铜层状复合导电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，真空度小于10-3 Pa的环境，热压炉内温度经过5分钟加热至100℃进行预热，然后经过30分钟均匀升温升压到800-950℃和50-80MPa，保温保压40-60分钟，随后自然冷却至炉内温度小于100℃后卸压。
6.一种MXene/铜层状复合导电材料，其特征在于：由权利要求1-5中任意一项所述的制备方法进行制备。
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| GR01 | Patent grant | ||
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