一种金属基复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种金属基复合材料，所述金属基复合材料包括金属基底以及直接包覆在所述金属基底表面的具有Mn+1Xn(Ts)的结构式的MXene材料膜层，所述MXene材料通过将具有Mn+1AXn的结构式的化合物去除A得到，其中，M、A、X分别为三种不同的元素，n为正整数，Ts为MXene材料表面的封端基团，本发明专利技术制备的金属基复合材料表面被MXene材料膜层均匀包覆，其中MXene材料的片层层数仅为1～15层，包覆厚度小于250nm，厚度均匀，包覆表面光滑平整，不存在表面缺陷，得到的金属基复合材料的腐蚀速率很低，仅为原金属基底腐蚀速率的0.06％左右，本发明专利技术还提出了一种新的用于制备所述金属基复合材料的方法，该方法无需复杂的仪器设备，能够方便快捷的制备所述金属基复合材料。

Metal matrix composite material and preparation method and use thereof

The invention relates to a metal base composite material, which includes a metal substrate and a structural MXene material layer with Mn+1Xn (Ts) directly coated on the surface of the metal substrate. The MXene material is obtained by removing A with a structural compound with Mn+1AXn, in which M, A, and X are three, respectively. The n is a positive integer and the Ts is the sealing group of the surface of the MXene material. The surface of the metal matrix composite made by the invention is uniformly coated by the layer of the MXene material, in which the number of layers of the MXene material is only 1~15 layers, the coating thickness is less than 250nm, the thickness is uniform, the coating surface is smooth and smooth, and there is no surface defect. The corrosion rate of the metal matrix composites is very low, only about 0.06% of the corrosion rate of the original metal base. The invention also proposed a new method for the preparation of the metal matrix composite. The method does not require complex instruments and equipment, and can easily and quickly prepare the metal matrix composite.

【技术实现步骤摘要】
一种金属基复合材料及其制备方法和用途
本专利技术涉及复合材料领域，尤其涉及一种金属基复合材料及其制备方法和用途。
技术介绍
金属材料由于其优异的导电率、良好的延展性和较高的力学强度被人们广泛使用，然而对于耐腐蚀金属材料的研究却并未有长足的进步，传统的用于改善金属材料耐腐蚀性主要包括在金属表面包覆致密涂层和在金属材料组分中添加耐腐蚀用添加剂，这两种用于制备金属基复合材料的方法各有优缺点，添加耐腐蚀性添加剂可以大幅增强金属材料本身的耐腐蚀性，尤其是耐化学腐蚀性，但是对于电化学腐蚀防护作用不明显，而且加工不方便、在冶炼之后才能得到具有耐腐蚀作用的金属基复合材料，在金属表面包覆致密涂层这一方法应用更为广泛，所包覆的涂层包括高分子涂层、阳极牺牲材料耐腐蚀涂层、石墨烯耐腐蚀涂层、陶瓷材料耐腐蚀涂层等，其中，在金属表面包覆石墨烯或陶瓷涂层用于制备耐腐蚀材料较为先进，石墨烯或陶瓷涂层通常能够做到纳米级别，得到的金属基复合材料耐腐蚀效果优异，然而，将石墨烯涂层均匀包覆在金属材料表面较为困难，传统采用化学气相沉积法、电吸附法将石墨烯材料包覆在金属材料表面需要昂贵的设备，而且，石墨烯材料本身价格较高，因而，通过此种方法制备的金属基复合材料应用领域较窄。二维层状过渡金属碳/氮化物(MXene)材料是通过将三元层状碳/氮化物，即具有Mn+1AXn的结构式的化合物置于腐蚀性溶液中去除A元素的原子得到，其中，M、A、X分别为三种不同的元素，n为正整数，所得到的MXene材料具有Mn+1Xn(Ts)的结构式，其中，Ts为MXene材料表面的封端基团，来源于腐蚀性溶液中，以静电力作用吸附在材料表面上，MXene材料拥有类似石墨烯的层状结构，这种类石墨烯结构为其提供了很好的机械、化学稳定性以及类似于金属的导电性，将MXene材料以类似石墨烯涂层的结构包覆在金属材料表面，得到的金属基复合材料理论上也能具有和石墨烯涂层类似的耐腐蚀性能。现有技术中将MXene材料包覆在金属表面的研究较少，仅有很少的文献，如CN107001051A等提及了制备MXene材料的方法并探讨了其光电性能和作为光电探测器、触摸屏、电磁反射材料等电学器件的应用潜力，并未有相应的将MXene作为涂层使用，制备金属基复合材料的报道，本领域的技术人员需要对MXene材料作为耐腐蚀涂层材料的可能性进行进一步研究、制备一种表面包覆有MXene材料涂层的复合材料并研发相应的制备方法。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种金属基复合材料，所述金属基复合材料包括金属基底以及直接包覆在所述金属基底表面的MXene材料膜层。所述MXene材料具有Mn+1Xn(Ts)的结构式。所述MXene材料通过将具有Mn+1AXn的结构式的化合物置于腐蚀性溶液中去除A元素的原子得到，其中，M、A、X分别为三种不同的元素，n为正整数，Ts为MXene材料表面的封端基团，通过化合键接枝在具有Mn+1Xn结构的化合物的晶体表面。由于在制备MXene材料的过程中，A元素的原子被腐蚀去除，使得MXene材料的晶体结构中含有大量需要被填充的空位，被包覆的金属基底表面的金属元素的原子通过扩散作用，填补其中的空位，得到表面被MXene材料均匀致密包覆的MXene材料膜层，这种类似化合键的作用使得MXene材料膜层在金属表面具有较强的附着力，结合MXene材料自身优异的化学惰性，使得本专利技术所得到的金属基复合材料具有极强的耐化学腐蚀性能，由于MXene材料膜层与金属表面结合紧密，MXene材料表面的封端基团Ts一定程度上也能够起到屏蔽溶液中离子的作用，故本专利技术所得到的金属基复合材料的耐电化学腐蚀性能同样十分优异。合适的MXene材料膜层的厚度有利于提高复合材料的耐腐蚀性能，厚度过小使得膜层容易被划伤，厚度过大使得膜层容易脱落，优选地，所述包覆在金属基底表面的MXene材料膜层的厚度为5nm～500nm，例如6nm、10nm、40nm、80nm、150nm、250nm、350nm、450nm、490nm等，进一步优选为10nm～100nm。MXene材料通常为多片层叠合形成类似手风琴的结构，但是，叠合层数过多容易降低MXene材料膜层在金属表面的附着力，进而降低得到的金属基复合材料的耐腐蚀性能，优选地，所述MXene材料膜层中MXene材料片层的层数为1～15层，例如2层、4层、8层、12层、14层等，进一步优选为1～5层，最优选为1～3层。选用合适的M、A、X元素有利于提高金属基底表面的金属元素的扩散，提高附着力，优选地，所述MXene材料中的M为第ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB族中的任意一种或至少两种金属元素，X为碳和/或氮元素，所述具有Mn+1AXn的结构式的化合物中的A为铝、砷、镓、锗、铟、磷、硫、铅、锡中的任意一种或至少两种元素。优选地，所述MXene材料中的n选自1、2或3。优选地，所述MXene材料中的M元素为钛、铬、锰、钒、钨、钪、铌、锆中的任意一种或至少两种元素，进一步优选为钛和/或铌。优选地，所述MXene材料中的封端基团Ts为带负电的基团，进一步优选为带负电的烷氧基团、羧酸根、卤化物离子、氢氧根、硝酸根、亚硝酸根、硫离子、磺酸根中的任意一种或至少两种的组合，最优选为带负电的烷氧基团。优选地，所述MXene材料为表面附着有封端基团Ts的Sc2C、Sc2N、Ti3C2、Ti2C、Ti4N3、Ti2N、Ti3/2Nb1/2C、Nb2C、Nb2N、Ti3CN、V2C、V2N、Cr2C、(Cr2/3Ti1/3)3C2中的任意一种或至少两种的混合物，进一步优选为表面附着有封端基团Ts的Ti3C2、Ti2C、Ti3/2Nb1/2C、Nb2C、Ti3CN中的任意一种或至少两种的混合物。优选地，所述金属基底包括整体为金属的材料或至少在表面包覆有金属层的材料中的任意一种。优选地，所述金属基底中的金属包括铜、铁、锰、铝、镍、铬、钒、钛、银、金、铂、锡、铅、钴、镁、锌中的任意一种金属或至少两种组成的合金。进一步优选地，所述金属基底中的金属包括铜、铁、锰、铝、镍、钛、钒、铬、钴、镁中的任意一种金属或至少两种组成的合金。本专利技术的目的之二在于提供一种所述金属基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤(1)，将具有Mn+1AXn的结构式的化合物进行粉碎研磨至粒径≤100μm，(例如研磨至粒径为2μm、4μm、10μm、20μm、40μm、80μm等)，之后将其置于耐腐蚀性容器中，向容器中加入酸性刻蚀液，刻蚀除去A元素，得到具有Mn+1Xn的结构式的多层MXene材料；步骤(2)，使用溶剂冲洗步骤(1)中得到的多层MXene材料以去除残余杂质，之后将其真空干燥，待其干燥后分散在分散液中，向分散液中施加机械能使得多层MXene材料的片层解离，之后将解离后的产物进行过滤、干燥处理，得到寡层MXene材料；步骤(3)，将步骤(2)中得到的寡层MXene材料分散在挥发性有机溶剂中，超声处理使其分散均匀，得到MXene材料分散液；步骤(4)，将步骤(3)中得到的MXene材料分散液均匀喷涂在金属基底表面，待溶剂挥发完全后得到所述金属基复合材料。所述多层MXene材料是指片层层数≥16层的MXene材料，寡层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属基复合材料，其特征在于，所述金属基复合材料包括金属基底以及直接包覆在所述金属基底表面的MXene材料膜层；所述MXene材料具有Mn+1Xn(Ts)的结构式；所述MXene材料通过将具有Mn+1AXn的结构式的化合物置于腐蚀性溶液中去除A元素的原子得到，其中，M、A、X分别为三种不同的元素，n为正整数，Ts为MXene材料表面的封端基团。

【技术特征摘要】
1.一种金属基复合材料，其特征在于，所述金属基复合材料包括金属基底以及直接包覆在所述金属基底表面的MXene材料膜层；所述MXene材料具有Mn+1Xn(Ts)的结构式；所述MXene材料通过将具有Mn+1AXn的结构式的化合物置于腐蚀性溶液中去除A元素的原子得到，其中，M、A、X分别为三种不同的元素，n为正整数，Ts为MXene材料表面的封端基团。2.根据权利要求1所述的金属基复合材料，其特征在于，所述包覆在金属基底表面的MXene材料膜层的厚度为5nm～500nm，优选为10nm～100nm；优选地，所述MXene材料膜层中MXene材料片层的层数为1～15层，进一步优选为1～5层。3.根据权利要求1或2所述的金属基复合材料，其特征在于，所述MXene材料中的M为第ⅢB、ⅣB、ⅤB、ⅥB、ⅦB族中的任意一种或至少两种金属元素，X为碳和/或氮元素，所述具有Mn+1AXn的结构式的化合物中的A为铝、砷、镓、锗、铟、磷、硫、铅、锡中的任意一种或至少两种元素；优选地，所述MXene材料中的n选自1、2或3；优选地，所述MXene材料中的M元素为钛、铬、锰、钒、钨、钪、铌、锆中的任意一种或至少两种元素，进一步优选为钛和/或铌；优选地，所述MXene材料中的封端基团Ts为带负电的基团，进一步优选为带负电的烷氧基团、羧酸根、卤化物离子、氢氧根、硝酸根、亚硝酸根、硫离子、磺酸根中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为带负电的烷氧基团；优选地，所述MXene材料为表面附着有封端基团Ts的Sc2C、Sc2N、Ti3C2、Ti2C、Ti4N3、Ti2N、Ti3/2Nb1/2C、Nb2C、Nb2N、Ti3CN、V2C、V2N、Cr2C、(Cr2/3Ti1/3)3C2中的任意一种或至少两种的混合物，进一步优选为表面附着有封端基团Ts的Ti3C2、Ti2C、Ti3/2Nb1/2C、Nb2C、Ti3CN中的任意一种或至少两种的混合物。4.根据权利要求1～3之一所述的金属基复合材料，其特征在于，所述金属基底包括整体为金属的材料或至少在表面包覆有金属层的材料中的任意一种；优选地，所述金属基底中的金属包括铜、铁、锰、铝、镍、铬、钒、钛、银、金、铂、锡、铅、钴、镁、锌中的任意一种金属或至少两种组成的合金；进一步优选地，所述金属基底中的金属包括铜、铁、锰、铝、镍、钛、钒、铬、钴、镁中的任意一种金属或至少两种组成的合金。5.一种如权利要求1～4之一所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤(1)，将具有Mn+1AXn的结构式的化合物进行粉碎研磨至粒径≤100μm，之后将其置于耐腐蚀性容器中，向容器中加入酸性刻蚀液，刻蚀除去A元素，得到具有Mn+1Xn的结构式的多层MXene材料；步骤(2)，使用溶剂冲洗步骤(1)中得到的多层MXene材料以去除残余杂质，之后将其真空干燥，待其干燥后分散在分散液中，向分散液中施加机械能使得多层MXene材料的片层解离，之后将解离后的产物进行过滤、干燥处理，得到寡层MXene材料；步骤(3)，将步骤(2)中得到的寡层MXene材料分散...

【专利技术属性】
技术研发人员：王钰，段春阳，李萌启，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11