一种二维纳米材料增强铜基复合材料及其制备方法

本发明属于二维纳米材料，具体涉及一种二维纳米材料(mxene)增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、制备陶瓷纤维/颗粒作为增强相材料的铜基复合材料是提高铜及其合金性能的有效途径。颗粒增强铜基复合材料中，增强相颗粒主要有氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等。但是，铜基复合材料的最终性能受陶瓷纤维/颗粒增强相(尺寸、形状、热膨胀系数、密度等因素)的影响较大。为了获得具有高比强度、优异导电性能的复合材料，选用合适的增强相是目前研究铜基复合材料一项迫在眉睫的内容。

2、目前，石墨烯(graphene)因其独特的单原子层结构使石墨烯具备了优异的力学(断裂强度达130gpa，杨氏模量约为1100gpa)、导热(热导率约为5000w/m·k)、导电性能(电子迁移率达到200000cm2/v·s)，并且具有大的比表面积约2630m2g-1，使其作为金属基增强相受到广泛重视。但是，石墨烯这类二维纳米材料的高温稳定性能差，在450℃～500℃极易发生氧化，导致原本的2d结构破坏，难以充分发挥其优异的性能，并且因范德华力与大的比表面积容易发生团聚。二维碳氮化物mxene因与石墨烯具有相似的二维层状结构而得名，它是一系列的二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的二维纳米材料，由max相通过化学刻蚀、剥离得到。mxene力学性能与石墨烯纳米片的相似，层间通过范德华力连接，具有相对低的剪切强度，表现出本征自润滑性能，并且mxene在1200℃氩气氛围中依然可以保持稳定，不破化原本的2d结构。另外，mxene因表面具有功能团(-o,-oh,-f等)在水溶液和有机溶剂中均具有良好的分散性，为其均匀分散提供了前提。

3、但是，通过多层mxene制备单层mxene，现有技术主要有球磨法和超声法。球磨法制备单层mxene纳米片在制备过程中容易出现大量损耗，产出率仅在75％～78％左右。并且球磨时间过长，均需在24h以上，球磨过程中容易引入杂质，其产生的热量也很可能导致材料发生相变，导致mxene材料本征性能下降。除此之外，采用超声分散法虽然能够很好的保留mxene的本征性能和含量，但是其分散效果受到极大的局限，导致单层纳米片含量较少，难以与金属基体表面形成较强的界面结合。

4、根据现有技术可知，已有制备mxene增强铜基复合材料的方法主要有“分子级混合+放电等离子烧结”、“分子级混合+热压烧结”热压烧结技术，存在以下问题：分子级混合主要采用的是铜盐，制备过程比较复杂，单一采用放电等离子烧结技术(spark plasmasintering，sps)并不能保证复合材料的致密度及mxene排列方向问题，而采用热压烧结技术烧结温度高，并且保温时间长，导致烧结样品的晶粒粗大，降低复合材料的力学性能。

技术实现思路

1、发明针对上述技术不足等问题，提出一种兼备优异力学性能、高温稳定性能、导电导热性能的二维纳米材料mxene增强铜基复合材料及其制备方法。本发明采用放电等离子烧结技术和热轧工艺(hot rolling)相结合制备mxene增强的铜基复合材料，获得兼备优异力学性能及导电性能的复合材料。

2、实现本发明的技术解决方案是：一种二维纳米材料增强铜基复合材料及其制备方法，包括如下步骤：

3、(1)以多层mxene为原料，以无水乙醇为溶剂，依次经超声处理和第一次均质处理，加入纳米级ni粉，经第二次均质处理，加入固态插层剂，再经第三次均质处理，离心后获得含单层mxene纳米片的悬浊液；

4、(2)在含单层mxene纳米片的悬浊液中加入纯铜粉末，依次经均质处理、球磨、干燥后得到mxene-cu复合材料粉末；

5、(3)将所述mxene-cu复合材料粉末进行等离子烧结；

6、(4)最后经热轧处理，得到二维纳米材料增强铜基复合材料。

7、较佳的，步骤(1)中，纳米级ni粉的加入量为mxene质量的10wt％；固态插层剂的加入量为mxene质量的10倍。

8、较佳的，步骤(1)中，超声处理时间为5分钟以上；均质处理转速为10000rpm/min，第一次均质处理时间为20min，第二次均质处理时间为30min，第三次均质处理时间为为6h。

9、较佳的，步骤(2)中，mxene/cu复合材料粉末中，mxene含量为0.2～1.5wt％。

10、较佳的，步骤(2)中，均质处理转速为10000rpm/min，时间为2h；球磨处理转速为300rpm/min，时间为12h，球料比为4：1。

11、较佳的，步骤(3)中，等离子烧结温度为850℃，时间为6min。

12、较佳的，步骤(4)中，热轧处理温度为100℃，线速度为30mm/s，来回轧制5次。

13、与现有技术相比，本发明通过超声分散和高速均质相结合的方法制备单层mxene纳米片，在制备过程中加入纳米级ni粉，进一步改善mxene的湿润性，该ni改性mxene工艺简单，并且ni颗粒在高速均质机作用下与mxene纳米片发生剧烈碰撞，能够使得ni颗粒很好的吸附在mxene表面。此外，所添加的脲素插层剂成本较低，获取途径简单，在离心洗涤环节较易除去，保证了mxene纳米片溶液的纯度。本发明采用球磨的方法将单层mxene纳米片和铜粉混合，该方法进一步利用基体颗粒和增强相材料之间的剧烈碰撞将少量的未能完全分散开的多层mxene分散，使得单层mxene纳米片能够均匀的分布在基体材料当中。然后将得到的复合材料粉末进行放电等离子烧结，将烧结好的样品进行热轧处理，可以使复合材料晶粒细化，减小晶粒间隙。

技术特征：

1.一种二维纳米材料增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，纳米级ni粉的加入量为mxene质量的10wt%；固态插层剂的加入量为mxene质量的10倍。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，超声处理时间为5分钟以上；均质处理转速为10000rpm/min，第一次均质处理时间为20min，第二次均质处理时间为30min，第三次均质处理时间为为6h。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，mxene/cu复合材料粉末中，mxene含量为0.2~1.5wt%。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，均质处理转速为10000rpm/min，时间为2h；球磨处理转速为300rpm/min，时间为12h，球料比为4：1。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，等离子烧结温度为850℃，时间为6min。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，热轧处理温度为100℃，线速度为30mm/s，来回轧制5次。

8.如权利要求1-7任一所述的方法制备的二维纳米材料增强铜基复合材料。

技术总结本发明公开了一种二维纳米材料增强铜基复合材料及其制备方法，即以纯铜粉和多层MXene作为原始材料，采用“均质+超声”分散获得单层MXene，随后“均质+球磨”获得不同成分的MXene‑Cu复合粉末，最后“放电等离子烧结+热轧”工艺制备复合材料，提高了该复合材料的力学性能，得到一种兼备优异力学性能和导电性能的MXene/Cu复合材料。技术研发人员：宋英,王伟,嵇浚哲,吴春彪,杨兰玉受保护的技术使用者：常熟理工学院技术研发日：技术公布日：2024/6/13