[发明专利]一种协同致密化碳化钛复合薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种协同致密化碳化钛复合薄膜的制备方法，首先将大尺寸碳化钛(Ti₃C₂T_x)和小尺寸Ti₃C₂T_x纳米片水溶液共混，然后将该混合水溶液通过刮涂法，组装成小片插层诱导致密化碳化钛(IDM)薄膜，最后将该IDM薄膜依次浸泡在氯化钙和四硼酸钠水溶液中，再经过真空煅烧制得协同致密化碳化钛(SDM)复合薄膜。该方法主要是通过小尺寸Ti₃C₂T_x纳米片预先填充大尺寸Ti₃C₂T_x纳米片层间较大的孔隙，而后通过钙离子和硼酸根离子交联作用，进一步消除大尺寸Ti₃C₂T_x纳米片层间剩余的较小孔隙，实现Ti₃C₂T_x薄膜的协同致密化，从而提升Ti₃C₂T_x薄膜的拉伸强度、杨氏模量、韧性和导电性能。所述SDM复合薄膜的密实度为91.3％～95.9％，最大拉伸强度为739MPa，相应的杨氏模量为72.4GPa，韧性为8.76MJ/m³，电导率为10336S/cm。

技术领域

本发明涉及一种协同致密化碳化钛复合薄膜的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。

背景技术

碳化钛(Ti₃C₂T_x)纳米片具有优异的力学(Sci.Adv.2018,4,eaat0491.)和电学(Appl.Phys.Lett.2016,108,033102.)性能，在柔性电子器件和航空航天等领域具有广泛的应用前景(Nat.Rev.Mater.2017,2,16098.)，因此，需要将Ti₃C₂T_x纳米片组装成宏观高性能Ti₃C₂T_x纳米复合材料。

通常，大尺寸Ti₃C₂T_x纳米片有助于提升宏观Ti₃C₂T_x薄膜的力学和电学性能。例如，Razal等人(Adv.Mater.2020,32,2001093.)通过刮涂法组装大尺寸Ti₃C₂T_x纳米片(平均横向尺寸为10μm)，制备了高强高导电Ti₃C₂T_x薄膜；然而由于大尺寸纳米片之间存在孔隙，当薄膜的厚度从0.94μm增大到2.4μm时，其拉伸强度和电导率显著降低；此外，大尺寸Ti₃C₂T_x纳米片层间界面作用较弱，也限制了其力学性能。为此，需要开发致密化策略以提升大尺寸Ti₃C₂T_x纳米片所组装薄膜的性能。最近，程群峰等人(Science2021,374,96.)通过在Ti₃C₂T_x纳米片层间引入羧甲基纤维素钠和四硼酸钠交联剂，有效消除了孔隙，大幅提升了Ti₃C₂T_x复合薄膜的力学性能；然而由于绝缘性交联剂阻碍了Ti₃C₂T_x纳米片层间的电子传递，因此，所制得的Ti₃C₂T_x复合薄膜的电学性能大幅降低,限制了其实际应用。