二维MXene增强铜基复合材料的制备与性能研究

来源 :北京交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:amenking34875627
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本研究以高强韧MXene增强铜基复合材料为研究对象,针对MXene材料的设计制备及结构调控、MXene与铜基体的润湿性以及MXene增强铜复合材料的结构和性能等科学问题展开研究。通过设计优化刻蚀工艺参数制备了不同组分和结构的二维MXene;通过对MXene粉体的预处理实现了MXene堆叠结构的进一步分散,获得了二维片层结构的MXene;通过化学插层结合退火工艺实现了对MXene表面的结构调控,获得了表面改性的MXene粉体材料。在此基础上采用高能球磨的方式制备复合粉体,并采用粉末冶金的方式制备了MXene/Cu复合材料。通过深入研究MXene/Cu复合材料物相、微观结构和力学性能,揭示了制备工艺及微观结构对材料性能的影响规律。主要结果如下:(1)以HF作为刻蚀剂采用液相刻蚀Ti3AlC2的方法制备了不同组分和结构的MXene。使用20 wt.%和40 wt.%的HF水溶液刻蚀5 h制备了A位原子完全刻蚀的MXene;通过调整使用HF水溶液浓度10 wt.%,刻蚀时间为1.5 h制备了A位保留部分铝原子的MXene;通过均质处理的方法,实现了MXene片层的进一步打开,从“手风琴”结构变成二维薄片状结构。(2)通过化学插层和退火工艺相结合的方式对MXene的表面结构进行了调控。采用750°C减压退火处理,降低了MXene表面官能团-O、-F、-OH等含量;通过使用Ni离子插层处理并结合退火还原工艺,成功的在MXene表面形成了Ni纳米颗粒,获得了Ni纳米颗粒改性的MXene。(3)研究了两种MXene与铜的高温润湿性,结果发现退火后的MXene虽然一定程度上减少了表面官能团的含量,但是与铜的高温润湿性依然较差;而Ni纳米颗粒改性的MXene与铜具有良好的高温润湿性,这主要是通过Cu和Ni的高温合金化作用实现了Cu原子和Ni原子的相互扩散从而改善了润湿性。(4)分别以退火处理的MXene、Ni纳米颗粒改性的MXene以及A位少铝的MXene为原料,利用高能球磨的方式制备了MXene-Cu复合粉体;再通过热压烧结的方法制备了MXene/Cu复合材料。通过对MXene-Cu复合粉体的微观结构观察,发现随着球磨时间的延长MXene在基体中逐渐分散均匀形成亚微米尺寸的MXene弥散颗粒。所制备的MXene/Cu复合材料的MXene大小及分布与复合颗粒中MXene大小及分布特征基本一致。(5)所制备的3 vol.%MXene/Cu复合材料,拉伸强度达到343 MPa,延伸率为6.3%,通过Ni纳米颗粒改性后MXene制备的复合材料,相同体积含量的情况下,拉伸强度达到327 MPa,延伸率达到16.1%,提升156%,这主要得益于MXene与基体润湿性的改善,进一步改善了MXene与基体的界面结合特性。A位少铝的MXene/Cu复合材料虽然对于提升材料的延展性上有一定帮助,但是由于增强相中存在较大的颗粒,使得整体增强相数量减少,强化效果下降,材料的力学性能也有所降低。
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