[发明专利]一种改性MXenes粉体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种改性MXenes粉体及其制备方法和应用，所述改性MXenes粉体包括具有层状结构的MXenes基体和分布在所述MXenes基体层间和/或外表面的纳米金属颗粒，所述改性MXenes粉体通过金属离子插层的方法制备得到，将所述改性MXenes粉体作为增强相来增强金属材料，得到的金属基复合材料不仅具有高强度、高硬度、高耐磨性以及高延展性等优异的力学特性，也具有优良的导电性和导热性。

技术领域

本发明涉及二维片层材料及复合材料领域，特别涉及一种改性MXenes粉体及其制备方法和应用。

背景技术

新型二维晶体材料(MXenes)是通过化学选择性刻蚀的方法，刻蚀掉MAX相的A位原子层而获得的二维层状过渡金属碳(或氮)化物。MAX相是一种三元层状化合物，其结构通式为M_n+1AX_n，其中M为过渡金属元素，A主要为IIIA和IVA族元素，X为C或N元素。目前已合成的单相MAX材料超过60种，典型的有Ti₂AlC、Ti₂SnC、Cr₂AlC、V₂GeC、Ti₂AlN、Ti₃SiC₂、Ti₃AlC₂、Ti₄AlN₃等。M位原子与X位原子之间结合较强，其成键类型混合了共价键、离子键和金属键的特征，而M位原子和A位原子之间以相对较弱的金属键结合。利用MAX相材料不同原子间结合力的差异，通过化学选择性刻蚀A位原子，从而获得了二维MXenes材料。有研究表明MXenes能与金属发生润湿，因此从润湿性的角度考虑，MXenes材料作为金属基材料增强相，理论上讲可以与基体润湿良好，形成较强的结合界面。但是通过化学刻蚀方法制备的MXenes常带有F、OH、O等官能团，这些官能团的存在改变了MXenes的表面特性，削弱了MXenes与金属基体之间的界面结合特性。

CN108275683A公开了一种金属基复合材料及其制备方法和用途，所述金属基复合材料包括金属基底以及直接包覆在所述金属基底表面的具有M_n+1X_n(Ts)的结构式的MXene材料膜层，n为正整数，Ts为MXene材料表面的封端基团，本发明制备的金属基复合材料表面被MXene材料膜层均匀包覆，其中MXene材料的片层层数仅为1～15层，包覆厚度小于250nm，厚度均匀，包覆表面光滑平整，不存在表面缺陷，得到的金属基复合材料的腐蚀速率很低，仅为原金属基底腐蚀速率的0.06％左右，本发明还提出了一种新的用于制备所述金属基复合材料的方法，该方法无需复杂的仪器设备，能够方便快捷的制备所述金属基复合材料，但该发明中所述的MXene材料含有F、OH、O等官能团，削弱MXenes与Cu基体之间的界面结合特性，对金属基复合材料的性能带来负面影响。

CN107058851A公开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，但是该发明中没有考虑F、OH、O等官能团所带来的不良影响，难以获得高性能的复合材料。