[发明专利]一种MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料及制备方法与应用

说明书

本发明属于功能复合材料技术领域，具体为一种MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料，通过二维纳米材料MXene制备MXene衍生钙钛矿，再与水泥混合得到MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料，该压电复合材料易极化，具有良好的压电响应，且与建筑材料具有良好的相容性，能够用于交通工程、土木工程中的混凝土结构的传感器的制备，且所制备的传感器灵敏度和传感精度高。

技术领域

本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料及制备方法与应用。

背景技术

目前，传统的水泥基压电材料压电性能不高，灵敏度低，传感精度差，需要使用电荷放大器来加强电信号的输出。另外，传统水泥基压电材料老化问题严重，容易产生虚假信号，导致安全隐患。

MXene是一种具有良好的热力学性质、电学性能、化学与电化学性能、耐磨性能的二维纳米材料；手风琴结构的MXene拥有相对较大的层间距离，在外力作用下，MXene层间距离极大可调，为研制高灵敏传感器提供了可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料，该压电复合材料由MXene衍生钙钛矿和水泥混合得到，该压电复合材料易极化，具有良好的压电响应，且与建筑材料具有良好的相容性，能够用于交通工程、土木工程中的混凝土结构的传感器的制备，且所制备的传感器灵敏度和传感精度高。

本发明的另一目的还提供该MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料的制备方法，该制备方法简单易操作，适于大规模推广应用。

本发明还提供了该韧性水泥基压电复合材料的应用，基于该压电复合材料具有良好的压电响应，且与建筑材料具有良好的相容性，是一种用于混凝土结构的传感器的制备的优异材料，具有非常好的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料，包括以下质量百分比的组分：水泥20～60%，MXene衍生钙钛矿晶体40～80%。

上述MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）MXene的制备

将MAX相通过刻蚀液制备MXene，MXene为二维纳米材料；

（2）MXene衍生钙钛矿晶体的制备

将步骤（1）制备的MXene加入到强碱水溶液中，在30～70℃下剧烈搅拌20～50分钟后，加入表面活性剂，得到反应混合物，然后将反应混合物密封在不锈钢高压反应釜中，在150～200℃下加热1～48小时；反应完成后冷却至室温，用蒸馏水和乙醇的混合液洗涤多次，然后在60～100℃下真空干燥10～48小时，即得MXene衍生钙钛矿晶体；

（3）将步骤（2）制备的MXene衍生钙钛矿晶体与水泥混合，在助磨剂的作用下，球磨10～50分钟后干燥得到混合粉体；

（4）向步骤（3）得到的混合粉体中加入一定量的水，混合均匀，得到混合料，将混合料压制成特定形状，放入湿度100%的环境中水化1～28天，干燥即得MXene衍生钙钛矿水泥基压电复合材料。

进一步，所述刻蚀液为HF或LiF和HCl的混合液。

进一步，所述步骤（1）制备的MXene为≤10层厚度的Ti₃C₂或Nb₂C过渡金属碳化物。

进一步，所述步骤（2）中强碱水溶液为氢氧化钾水溶液或氢氧化钡水溶液。

进一步，所述步骤（2）中表面活性剂为阴离子表面活性剂。

更进一步，所述阴离子表面活性剂为聚丙烯酰胺、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种。