一种TiC-Ti3C2TxMXene复合材料的制备方法

本发明属于，更具体地，涉及一种tic-ti3c2txmxene复合材料的制备方法，尤其是一种能够有效防止ti3c2txmxene高温相变的跨尺度强韧化tic的tic-ti3c2txmxene复合材料的制备方法。

背景技术：

1、碳化钛(tic)作为一种典型的超高温陶瓷，具有熔点高、密度低、硬度高等特点，在航空航天、储能、核工业等领域有着特殊的应用场景。然而陶瓷材料具有的本征脆性注定了其具有极差的韧性，这严重限制其实际应用。通过制备复合材料手段将超高温陶瓷材料强韧化，提高其承载力，具有重要的现实意义。二维材料由于具有“纳米效应”、极大的比表面积和出色的机械强度及柔性，被认为是陶瓷基复合材料的优良增强体材料，其中一类二维层状mxene材料由于其丰富的表面官能团、优异的电子导电性、高弹性模量及优异力学性能，且mxene的内部过渡金属碳化物/氮化物芯使其适合作为稳定的高温增强材料，有望广泛用作陶瓷基结构复合材料中的增强体。

2、然而简单高效的将mxene在陶瓷基体中均匀分散一直是待解决的重点问题；mxene与陶瓷基体之间的润湿性较差，难以形成牢固的界面结合，不利于荷载在基体与增强体之间的传递，使mxene增强的陶瓷基复合材料力学性能提升有限；mxene在高温下易被氧化或发生相变，成为非化学计量比的碳化物。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对以上不足，提供一种tic-ti3c2txmxene复合材料的制备方法，解决增强体在tic陶瓷基体中的分散性问题，主要解决高温烧结条件下ti3c2txmxene相变及氧化问题，并通过使ti3c2txmxene与tic形成强界面结合、引起基体晶粒细化、裂纹偏转、裂纹桥接以及片层拔出等方式强韧化tic基体，显著地提高了tic基体的弯曲强度和断裂韧性。

2、为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供一种tic-ti3c2txmxene复合材料的制备方法，包括：

4、将ti3alc2陶瓷粉体采用酸腐蚀，洗涤腐蚀产物后离心、超声波分层制得单层及少层ti3c2tx胶体溶液，然后冷冻干燥得到单层及少层ti3c2tx粉体；

5、将tic粉、干燥的ti3c2tx粉体、溶于无水乙醇的聚四氟乙烯进行高剪切乳化混合，然后旋蒸、干燥、放电等离子烧结制得tic-ti3c2txmxene复合材料。

6、进一步的，所述ti3alc2陶瓷粉体的制备步骤包括：

7、将ti、al、c粉末混合均匀，在1300～1400℃下无压烧结，制得三元层状ti3alc2陶瓷块体；

8、将ti3alc2陶瓷块体研磨至细度为100目～1200目的ti3alc2陶瓷粉体。

9、进一步的，所述ti、al、c粉末的摩尔比为3:(1～1.4):2，优选为3:1.2:2。

10、进一步的，所述酸腐蚀包括：将ti3alc2陶瓷粉体置于盐酸与氟化锂的混合溶液或氢氟酸的水溶液中，20～70℃下充分搅拌，得到腐蚀后的混合物悬浊液。优选搅拌时间为12～96h。优选的，盐酸的浓度为9～12mol/ml，盐酸与氟化锂的体积质量比为(5～25)ml：(0.2～2)g；氢氟酸的水溶液中氢氟酸浓度为10～70wt.％。

11、进一步的，所述洗涤腐蚀产物的步骤包括：

12、用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≥6；

13、继续用去离子水洗涤并离心，倒去上清液，重复3～5次，清洗完成。

14、进一步的，所述单层及少层ti3c2tx胶体溶液的制备步骤包括：

15、将清洗后的腐蚀产物加去离子水，在氩气气氛保护下超声波分层处理；优选的，超声过程中温度保持在35℃以下；

16、超声过后混合液离心处理，取上层溶液得到单层及少层ti3c2tx胶体溶液。

17、进一步的，所述干燥的单层及少层ti3c2tx粉体的制备步骤包括：

18、将单层及少层ti3c2tx胶体溶液在-20～-100℃下预冻6～48h，然后使用冷冻干燥机在-40～-80℃下干燥1～3天，即得干燥的单层及少层ti3c2tx粉体。

19、进一步的，所述高剪切乳化混合采用乳化机进行，转速为1000rpm～10000rpm，乳化时间为0.1～10h。优选参数为，25℃下以6000rpm高剪切乳化混合2h。

20、进一步的，所述旋蒸的步骤包括：

21、将乳化混合后的悬浊液置于旋转蒸发器中，抽真空至-0.01～-0.10mpa的负压下，在40～100℃的水浴锅中旋转加热去除无水乙醇。优选参数为-0.09mpa压力下，55℃旋蒸。

22、进一步的，所述旋蒸后干燥为使用干燥剂干燥6～72h，得到彻底干燥的tic-mxene复合粉体；优选干燥时间为48h。

23、进一步的，所述放电等离子烧结的步骤包括：

24、经过旋蒸、干燥后的产物在10～100mpa的单轴压力下加压，以10～100℃/min的速度升温，并在1500～2200℃，真空条件下使用放电等离子烧结1～15min。优选参数为，50mpa的单轴压力加压，100℃/min的升温速度至1900℃下，使用放电等离子烧结10min。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

26、本发明所述tic-ti3c2txmxene复合材料的制备方法，能够有效防止ti3c2txmxene在经过1900℃的高温烧结后发生完全氧化或相变，并能够跨尺度强韧化tic基体，且工艺简单、成本低；

27、本发明采用高剪切乳化将ti3c2txmxene与tic粉体充分混合，采用放电等离子烧结法制备tic-ti3c2txmxene复合材料，利用二维ti3c2tx的(0001)面与tic的(111)表面结构的晶格错配度仅为0.4％的特性，使ti3c2tx和tic之间形成强化学键界面结合而产生对ti3c2tx表面的ti原子层施加稳定性约束，进而有效地防止ti3c2txmxene在1900℃的高温下相变为非化学计量比的ticy；同时未相变的层片状ti3c2tx引起tic基体晶粒细化，提高荷载传递效率，材料破坏时可以引起裂纹偏转并通过层片拔出提高能量损耗而显著提高tic基体的弯曲强度与断裂韧性；最终得到的tic-ti3c2txmxene复合材料的弯曲强度提高15.6％，断裂韧性和裂纹扩展时的临界能量释放率分别提高了49.9％和111.5％；

28、本发明所述方法条件易控，可以较为精确的定量单层及少层ti3c2tx的添加量，制备出增强体分散均匀的、具有不同ti3c2tx添加比例的复合材料。

技术特征：

1.一种tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述ti3alc2陶瓷粉体的制备步骤包括：

3.根据权利要求2所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述ti、al、c粉末的摩尔比为3:(1～1.4):2。

4.根据权利要求1所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述酸腐蚀包括：

5.根据权利要求1所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述单层及少层ti3c2tx胶体溶液的制备步骤包括：

6.根据权利要求1所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述干燥的单层及少层ti3c2tx粉体的制备步骤包括：

7.根据权利要求1所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述高剪切乳化混合采用乳化机进行，转速为1000rpm～10000rpm，乳化时间为0.1～10h。

8.根据权利要求1所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述tic粉、干燥的ti3c2tx粉体、溶于无水乙醇的聚四氟乙烯的比例需满足制得的复合材料中ti3c2tx mxene的质量分数为0.001wt.％～20wt.％。

9.根据权利要求1所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述旋蒸的步骤包括：

10.根据权利要求1所述的tic-ti3c2tx mxene复合材料的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结的步骤包括：

技术总结本发明公开了一种TiC‑Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt; MXene复合材料的制备方法，包括：将Ti<subgt;3</subgt;AlC<subgt;2</subgt;陶瓷粉体采用酸腐蚀，洗涤腐蚀产物后离心、超声波分层制得单层及少层Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;胶体溶液，然后冷冻干燥得到单层及少层Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;粉体；将TiC粉、干燥的Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;粉体、溶于无水乙醇的聚四氟乙烯进行高剪切乳化混合，然后旋蒸、干燥、放电等离子烧结制得TiC‑Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt; MXene复合材料。本发明解决增强体在TiC陶瓷基体中的分散性问题，解决高温烧结条件下Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt; MXene相变及氧化问题，并通过引起基体晶粒细化、裂纹偏转、裂纹桥接以及片层拔出等方式强韧化TiC基体，提高弯曲强度和断裂韧性。技术研发人员：刘璐,王浪涛,应国兵受保护的技术使用者：河海大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16