[发明专利]一种利用MXene局部原位氧化与基体形成钉扎效应的铜基复合材料强化方法

说明书

本发明属于复合材料制备领域，涉及一种利用MXene局部原位氧化与基体形成钉扎效应的铜基复合材料强化方法，包括以下步骤：制备MXene胶体溶液，利用MXene局部原位氧化生成氧化物颗粒的类“钉板”结构增强体材料，制备MXene的类“钉板”结构增强体‑铜复合材料，MXene的类“钉板”结构增强体通过表面的纳米氧化物颗粒与铜基体形成了强机械啮合和钉扎效应强化了铜基材料，可以在提高铜基复合材料的压缩屈服强度的同时，有效的提高铜基复合材料的拉伸屈服强度，并使铜基复合材料的电导率降低。

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，涉及一种利用MXene局部原位氧化与基体形成钉扎效应的铜基复合材料强化方法。

背景技术

大多数传统金属和合金由于其重量大、强度相对较低，开发金属基复合材料是解决此类问题的手段之一。二维(2D)材料由于其独特的2D结构以及优异的物理和机械性能，非常适合增强金属基复合材料。其中具有独特2D层状结构的MXene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，有望广泛用作金属基结构复合材料中的增强体。然而简单高效的将MXene在金属基体中均匀分散一直是待解决的重点问题；MXene与金属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增强的金属基复合材料力学性能提升有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的铜基复合材料强化方法，解决增强体在铜基体中的分散性问题，并增强增强体与铜基体间的界面结合，提高荷载在铜基体与增强体之间的传递效率，强化铜基复合材料的力学性能和电导率。为了实现上述目的本发明采用乳化机将MXene与铜粉充分混合，利用MXene在高温烧结时表面的含氧官能团及吸附水可以将其局部原位氧化的特性，生成纳米氧化物颗粒，这些颗粒与MXene未氧化的部分共同构成一种类“钉板”结构的增强体。这种增强体的纳米氧化物颗粒可以钉扎入铜基体中，通过与铜基体形成强机械啮合效应而使铜基体力学性能强化；同时MXene未氧化的层片部分可以降低铜基体的电导率。

一种利用MXene局部原位氧化与基体形成钉扎效应的铜基复合材料强化方法，包括以下步骤：

将M、Al、C粉末烧结形成陶瓷块体材料，研磨后得到陶瓷粉体；将陶瓷粉体置于酸性溶液中腐蚀，所述酸性溶液为盐酸与氟化锂混合液或氢氟酸；洗涤后腐蚀产物后采用去离子水配悬浊液并超声波分层、离心后制得MXene胶体溶液；将铜粉、单层及少层MXene胶体溶液添加至无水乙醇中，使用乳化机进行高剪切乳化混合；将充分混合后的悬浊液在负压下使用旋转蒸发去除乙醇；将去除乙醇后的泥浆状物料使用干燥剂进一步脱水干燥得到MXene与铜的混合粉体；彻底干燥后的混合粉末在真空条件下使用放电等离子烧结，烧结过程中MXene局部将原位氧化生成纳米氧化物颗粒并钉扎入铜基体，得到利用MXene局部原位氧化与基体形成钉扎效应的铜基复合材料。

进一步的，所述陶瓷粉体为M_n+1AlC_n陶瓷粉体，n＝1,2或3，M为过渡金属元素，为Ti、Nb、V、Cr或Ta。

进一步的，所述陶瓷粉体的制备方法包括以下步骤：将M、Al、C粉末按照摩尔比(n+1):1.2:n混匀后，在1000～1800℃下通过无压烧结制备高纯三元层状M_n+1AlC_n陶瓷块体材料；其中n＝1,2或3；将M_n+1AlC_n陶瓷块体材料研磨至细度为100目～1200目的M_n+1AlC_n陶瓷粉体。

进一步的，所述单层及少层MXene胶体溶液中的MXene浓度为1～100mg/mL。

进一步的，单层及少层MXene胶体溶液的制备方法包括以下步骤：