一种新型三元层状MAX相材料、其制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种新型三元层状MAX相材料及其制备方法。所述新型三元层状MAX相材料的分子式表示为Mn+1AXn，M选自III B、IV B、V B、VI B族元素中的任意一种或者两种以上的组合，A为Cu、Ag、Co和Ni中的任意一种或者两种以上的组合，X为C元素和/或N元素，n为1、2、3或4。该三元层状MAX相材料具有六方晶系结构，空间群为P63/mmc，晶胞由Mn+1Xn单元与A层原子交替堆垛而成。本发明的新型三元层状MAX相材料在核能结构材料制备、催化、吸波、电磁屏蔽、摩擦磨损、电子、自旋电子、磁制冷等领域具有潜在的应用前景。

权利要求

1.一种Ti2CuN的制备方法，其特征在于包括：

（1）称取氯化钠5.85g，氯化钾7.45g，粒度10 μm的Ti2AlN粉6g，300目Cu粉2.4 g，并研磨混合，得到混合物；

（2）将步骤（1）所获混合物置于刚玉坩埚内，放入高温管式炉内进行反应，反应条件为：

600℃保温420分钟，氩气保护，待高温管式炉温度降到室温后，取出刚玉坩埚内的反应产物；

（3）将步骤（2）所获反应产物放入烧杯中，加入去离子水，搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时，倒掉上清液，洗涤反应产物三次后，再用乙醇清洗后将其放入60℃的烘箱内，12小时后取出，得到粉体产物Ti2CuN。

2.一种V2(CuxAl1-x)C的制备方法，其特征在于包括：（1）称取氯化钠3.6g，氯化钾4.65g，300目的V2AlC粉1g，300目的Cu粉1.2 g，并研磨混合，得到混合物；

（2）将步骤（1）所获混合物置于刚玉坩埚内，放入高温管式炉内进行反应，反应条件为：

400℃保温720分钟，氩气保护，待高温管式炉温度降到室温后，取出刚玉坩埚内的反应产物；

（3）将步骤（2）所获反应产物放入烧杯中，加入去离子水，搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时，倒掉上清液，洗涤反应产物三次后，再用乙醇清洗后将其放入80℃的烘箱内，24小时后取出，得到粉体产物V2(CuxAl1-x)C。

说明书

一种新型三元层状MAX相材料、其制备方法及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复合无机材料，具体涉及一种新型三元层状MAX相材料及其制备方法与应用，属于材料技术领域。

背景技术

[0002] MAX相是具有六方晶格结构的纳米层状三元化合物，分子式为Mn+1AXn，其中M为III B、IV B、V B、VI B族的前过渡金属元素，A主要为ⅢA和ⅣA族元素，X为碳和/或氮，n＝1～3。MAX相材料的晶体呈六方对称性，空间群为P63/mmc，其晶胞由Mn+1Xn单元与A原子面交替堆垛而成，n＝1、2或3，通常简称为211，312和413相，目前合成的MAX相约有70余种。MAX相材料在物理、化学、电学、机械等方面独特的性质在高温电极、摩擦磨损、核能结构材料等领域有潜在的应用。之前MAX相材料在应用方面主要侧重于其结构性质，近几年来，科学家们通过固溶、取代或其他手段合成系列新的MAX相材料(又称等构MAX相)，这对拓展MAX相材料种类、理解晶体结构和调控物理化学性质具有非常重要的意义。

[0003] 对于MAX相材料家族的拓展是材料学家努力的方向，这对于三元层状材料晶体结构的理解和物理性质的调控有重要的意义。目前，A位原子一直局限在主族ⅢA和ⅣA涵盖的元素，可以看出大部分MAX相材料A位原子均为Al元素。最近，瑞典林雪萍大学和兰州大学物化所发现在保持孪晶结构Mn+1Xn层的同时，利用A位元素的高化学活性通过元素置换可以合成新的MAX相材料。因此，传统固相法无法合成的一些MAX材料可以通过A位元素置换实现，这对拓展MAX相材料的种类以及物理化学性能的调控具有极大的意义。

发明内容

[0004] 本发明的主要目的在于提供一种新型三元层状MAX相材料、其制备方法及应用，从而克服现有技术中的不足。

[0005] 为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

[0006] 本发明实施例提供了一种新型三元层状MAX相材料，其分子式表示为Mn+1AXn，其中M选自III B、IV B、V B、VI B族元素中的任意一种或者两种以上的组合，A为Cu、Ag、Co和Ni中的任意一种或者两种以上的组合，X为C、N元素中的任意一种或两种的组合，n为1、2、3或4。

[0007] 进一步地，所述的M可优选包括Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta中的任意一种或者两种以上的组合，且不限于此。

[0008] 进一步地，所述的X可以优选为CxNy，其中x+y＝1。

[0009] 进一步地，所述三元层状MAX相材料具有六方晶系结构，空间群为P63/mmc(194)，晶胞由Mn+1Xn单元与A层原子交替堆垛而成。

[0010] 进一步地，所述三元层状MAX相材料的形态包括粉体、块体、薄膜中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

[0011] 本发明实施例还提供了一种新型三元层状MAX相材料的制备方法，其包括：熔盐法和/或放电等离子体烧结法，但不限于此。

[0012] 在一些实施例中，所述制备方法包括：

[0013] 将前驱体MAX相材料、A和/或含A材料、无机盐按1：(1～3)：(0～8)的摩尔比混合，并将所获混合物于惰性气氛中在400～1100℃反应60～720min，之后进行后处理，获得新型三元层状MAX相材料；

[0014] 所述前驱体MAX相材料的分子式表示为Mm+1A’Xm，其中M选自III B、IV B、V B或VIB族的前过渡金属元素，A’选自ⅢA或ⅣA族元素，X包括C和/或N，m＝1、2或3，A为Cu、Ag、Co和Ni中的任意一种或者两种以上的组合。

[0015] 进一步地，所述前驱体MAX相材料包括Ti3AlC2、Ti3SiC2、Ti2AlC、Ti2AlN、Ti4AlN3、Ti2GaC、V2AlC、V2GaC、Cr2GaN、Cr2AlC、Sc2AlC、Zr2AlC、Zr2SnC、Nb2AlC、Nb4AlC3、Mo2AlC、Mo2GaN、Hf2AlC、Hf2AlN、Ta3AlC2、Ta4AlC3中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

[0016] 进一步地，所述含A材料包括含A的单质、含A的合金、含A的氧化物以及含A的盐等，例如，可以是Cu、Ag、Co或Ni等金属，还可以是CuO、CuCl2、Ag2O、AgCl、CoO、CoCl2、NiO、NiCl2等，但不限于此。

[0017] 进一步地，所述无机盐包括NaF、NaK、NaCl、KCl、NaBr、KBr中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

[0018] 进一步地，所述前驱体MAX相材料为粉体、块体、薄膜中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

[0019] 进一步地，所述A和/或含A材料为粉体，且粒度为500nm～50μm。

[0020] 进一步地，所述无机盐为粉体，且粒径为500nm～1mm。

[0021] 在一些实施方案中，所述的后处理包括：在所述的反应结束后，以去离子水对所获的反应产物进行清洗，之后于40～80℃干燥，获得所述新型三元层状MAX相材料。

[0022] 本发明实施例还提供了所述新型三元层状MAX相材料在核能结构材料制备、催化、吸波、电磁屏蔽、摩擦磨损、电子、自旋电子或者磁制冷等领域中的用途。

[0023] 较之现有技术，本发明的优点至少在于：

[0024] (1)本发明实施例提供的新型三元层状MAX相材料的制备方法首次实现了A位元素为Cu、Ag、Co或Ni等的MAX相材料的制备，而且简单易操作，具有普适性；

[0025] (2)本发明实施例提供的新型三元层状MAX相材料A位元素为Cu、Ag、Co或Ni等元素，其电子结构相较于现有MAX相材料发生了较大的变化，该变化会导致MAX相材料的物理化学性质发生变化，兼具金属和陶瓷的特点，具有高强度、高导热、抗氧化、耐高温、高损伤容限和可加工等特点，在核能结构材料、催化、吸波、电磁屏蔽、自旋电子以及磁制冷等领域具有潜在的应用前景。

附图说明

[0026] 图1是本发明实施例1中三元层状MAX相材料Ti3CuC2及传统MAX相材料Ti3AlC2的XRD谱图。

[0027] 图2是本发明实施例1中三元层状MAX相材料Ti3CuC2的高分辨透射电镜(HFTEM)图。

[0028] 图3是本发明实施例2中三元层状MAX相材料Ti3CuC2及传统MAX相材料Ti3AlC2的XRD谱图。

[0029] 图4a和图4b分别是本发明实施例2中三元层状MAX相材料Ti3CuC2的表面和断面的SEM图。

[0030] 图5是本发明实施例3中三元层状MAX相材料Ti2CuN及传统MAX相材料Ti2AlN的XRD谱图。

[0031] 图6a和图6b分别是本发明实施例3中三元层状MAX相材料Ti2CuN的SEM图和EDS分析图。

[0032] 图7是本发明实施例4中三元层状MAX相材料Ti2CuN的高分辨透射电镜(HFTEM)图。

[0033] 图8是本发明实施例4中三元层状MAX相材料Ti2CuN在高分辨透射电镜下的元素面分布图。

[0034] 图9是本发明实施例5中三元层状MAX相材料Ti2(CuxIn1-x)C的XRD谱图。

[0035] 图10a和图10b分别是本发明实施例5中三元层状MAX相材料Ti2(CuxIn1-x)C的SEM图和EDS分析图。

[0036] 图11是本发明实施例6中三元层状MAX相材料V2(CuxAl1-x)C的XRD谱图。

[0037] 图12是本发明实施例7中三元层状MAX相材料Ti3CuC2的XRD谱图。

具体实施方式

[0038] 本发明采用元素置换的策略，选择合适的MAX相前驱体，在保证Mn+1Xn层结构稳定的同时，将副族元素Cu、Ag、Co、Ni等插入亚层中，形成A位为Cu、Ag、Co、Ni元素的全新MAX相材料(如Ti3CuC2、Ti3NiC2等)。将MAX相A位元素从传统定义的主族元素拓展到副族元素，补充和拓展了MAX相的定义范围，增加了MAX相家族成员，使MAX相由传统的偏结构应用转向材料本征性能应用(应用偏重A位元素性质)；此外，副族元素Cu、Ag、Co、Ni的引入将会对MAX相材料的物理性质起着重要的调控意义。通过探索Cu、Ag、Co、Ni元素的引入与Mn+1Xn层的成键强弱和电子云分布以及A位取代量和元素原子排列顺序对于材料晶体微观结构和材料性能的影响。通过结合MAX相材料独特的纳米层状结构、高的结构稳定性、可调的各向异性以及副族元素Cu、Ag、Co、Ni的性能，新型三元层状MAX相材料在核能结构材料、催化、吸波、电磁屏蔽、摩擦磨损、电子、自旋电子以及磁制冷等领域具有潜在的应用前景。

[0039] 下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

[0040] 实施例1：本实施例中，新型三元层状MAX相材料为Ti3CuC2粉体材料，原料为TiC粉体、Cu粉、石墨，无机盐为NaCl和KCl，这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti3CuC2粉体的制备方法如下：

[0041] (1)称取氯化钠5.85g，氯化钾7.45g，粒度10μm的碳化钛粉3g，300目钛粉1.2g，300目Cu粉1.2g，将上述材料研磨混合，得到混合产物。

[0042] (2)将混合物置于刚玉坩埚内，放入高温管式炉内进行反应。反应条件为：900℃，120分钟，氩气保护。待管式炉温度降到室温后，取出坩埚内反应产物。

[0043] (3)用去离子水和酒精洗涤反应产物：将反应产物放入烧杯中，加入去离子水，搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时，倒掉上清液。洗涤反应产物三次后，再用乙醇清洗后将其放入40℃的烘箱内，12小时后取出，得到固体产物。

[0044] 图1是上述制得的粉末产物Ti3CuC2的XRD图谱与传统MAX相材料Ti3AlC2的对比。通过对比可以看出，两者的XRD图谱衍射峰峰位整体相似，均具有(002)、(004)、(006)等沿(00l)面取向的衍射峰，表明两者晶体生长过程中都会优先沿(00l)面生长，因此在微观形貌上表现出层状结构，通过计算模拟的XRD与实验结果能够较好的吻合。同时，合成的Ti3CuC2的XRD峰较Ti3AlC2有向低角度偏移的趋势，可能的原因是A位原子的半径大小有差别，两者的晶格参数不同，计算发现Ti3CuC2的晶格常数c值为 该值与Ti3AlC2的晶格常数c值 接近。XRD数据充分表明了本实施例制备得到的Ti3CuC2材料晶体结构与Ti3AlC2类似，是具有P63/mmc空间群结构的三元层状MAX相材料。

[0045] 图2是Ti3CuC2的高分辨透射电镜形貌图，从该图中可以明显的看出Ti3CuC2具有典型的312MAX相材料的层状晶体结构，图中亮度较高的层是原子序数较高的Cu原子层，亮度较低的层是Ti3C2，可以看出Ti3CuC2的晶格由亮度较高的Cu原子层和亮度较低的Ti3C2层交替堆垛而成。

[0046] 实施例2：本实施例中，新型三元层状MAX相材料为Ti3CuC2块体材料，前驱体MAX相为Ti3AlC2，含Cu材料为CuCl2，这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti3CuC2的制备方法如下：

[0047] (1)称取粒度30μm的Ti3AlC2粉2g，Cu粉2g，将上述材料研磨混合，得到粉体混合物。

[0048] (2)称取2g上述粉体混合物放入石墨模具中，然后通过SPS烧结。烧结条件为：1100℃保温60分钟，升温速率为100℃/min，氩气保护，压力为30MPa。待反应结束后，取出产物。

[0049] (3)将得到的块体除去表面石墨纸，然后通过不同目数的砂纸将其抛光至镜面，最后在80℃条件下烘干，12h取出得到Ti3CuC2块体材料。

[0050] 图3为SPS烧结的后得到的Ti3CuC2块体的材料的XRD图谱与传统MAX相材料Ti3AlC2的对比，从图3中可以看出，得到的块体材料表面除了Ti3CuC2还含有铜单质，可能的原因是原料中加入的Cu单质过量导致的，通过硝酸溶解多余的铜单质之后，得到的XRD图与Ti3AlC2312相的XRD图谱衍射峰峰位整体相似，说明制备得到了Ti3CuC2块体材料。图4a和图4b为SPS烧结得到Ti3CuC2块体材料的断面SEM图和EDS图，从该图中可以看出，其形貌表现为MAX相材料典型的层状结构，说明得到的为新型A位为Cu元素的Ti3CuC2的MAX相材料。

[0051] 实施例3：本实施例中，新型三元层状MAX相材料为Ti2CuN，前驱体MAX相为Ti2AlN，含Cu材料为Cu粉，无机盐为NaCl和KCl，这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti2CuN的制备方法如下：

[0052] (1)称取氯化钠5.85g，氯化钾7.45g，粒度10μm的Ti2AlN粉6g，300目Cu粉2.4g，将上述材料研磨混合，得到混合产物。

[0053] (2)将混合物置于刚玉坩埚内，放入高温管式炉内进行反应。反应条件为：600℃保温420分钟，氩气保护。待管式炉温度降到室温后，取出坩埚内反应产物。

[0054] (3)用去离子水和酒精洗涤反应产物：将反应产物放入烧杯中，加入去离子水，搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时，倒掉上清液。洗涤反应产物三次后，再用乙醇清洗后将其放入60℃的烘箱内，12小时后取出，得到粉体产物。

[0055] 图5为制备得到的Ti2CuN MAX相材料的XRD图谱与传统MAX相材料Ti2AlN的对比。从图5中通过对比可以看出，得到的新型三元层状MAX相材料其XRD谱图与Ti2AlN的基本相似，不过得到的新型三元层状MAX相材料的许多晶面相对Ti2AlN的减弱了，可能的原因是A位原子的半径大小有差别，两者的晶格参数不同导致的，XRD证明得到了新型的Ti2CuN MAX相材料。

[0056] 图6a和图6b为制备的Ti2CuN MAX相粉体材料的SEM图和EDS图，从图中可以看出，其形貌与熔盐法得到的Ti2AlN的形貌基本一致，EDS结果表明，颗粒表面含有Ti、Cu、N三种元素，并且元素Ti/Cu的比值近似于2：1，结合XRD结果和SEM结果，确认合成的物质为新型的Ti2CuN MAX相材料。

[0057] 实施例4：本实施例中，新型三元层状MAX相材料为Ti2CuN，含Cu材料为CuO粉，无机盐为NaCl和KCl，这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti2CuN的制备方法如下：

[0058] (1)称取氯化钠4.8g，氯化钾6.2g，粒度10μm的TiN粉3g，300目CuO粉3g，300目铝粉1.5g，300目钛粉2.4g，将上述材料研磨混合，得到混合产物。

[0059] (2)将混合物置于刚玉坩埚内，放入高温管式炉内进行反应。反应条件为：1000℃保温180分钟，氩气保护。待管式炉温度降到室温后，取出坩埚内反应产物。

[0060] (3)用去离子水和酒精洗涤反应产物：将反应产物放入烧杯中，加入去离子水，搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时，倒掉上清液。洗涤反应产物三次后，再用乙醇清洗后将其放入60℃的烘箱内，12小时后取出，得到粉体产物。

[0061] 图7是Ti2CuN的高分辨透射电镜形貌图，从该图中可以明显的看出Ti2CuN具有典型的211MAX相材料的层状晶体结构，图中亮度较高的层是原子序数较高的Cu原子层，亮度较低的层是Ti2N，可以看出Ti2CuN的晶格由亮度较高的Cu原子层和亮度较低的Ti2N层交替堆垛而成。

[0062] 图8是在高分辨透射电镜下对Ti2CuN进行的元素分析，元素面分布结果表明Cu元素主要位于A位置，此外还有少量的Al元素，EDX显示Ti:(Al+Cu)≈2:1，且Cu:(Cu+Al)＝0.87，说明A层的Al基本上被Cu原子取代，得到Ti2CuN MAX相材料。

[0063] 实施例5：本实施例中，新型三元层状MAX相材料为Ti2(CuxIn1-x)C，原料为TiC粉体、Cu粉、In粉、石墨，无机盐为NaCl和KCl，这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti2CuC的制备方法如下：

[0064] (1)称取氯化钠2.4g，氯化钾3.1g，粒度1μm的钛粉2.9g，300目铟粉2.3g，300目Cu粉1.2g，300目的碳粉0.48g，将上述材料研磨混合，得到混合产物。

[0065] (2)将混合物置于刚玉坩埚内，放入高温管式炉内进行反应。反应条件为：750℃保温600分钟，氩气保护。待管式炉温度降到室温后，取出坩埚内反应产物。

[0066] (3)用去离子水和酒精洗涤反应产物：将反应产物放入烧杯中，加入去离子水，搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时，倒掉上清液。洗涤反应产物三次后，再用乙醇清洗后将其放入50℃的烘箱内，24小时后取出，得到粉体产物。

[0067] 图9为制备得到的Ti2(CuxIn1-x)CMAX相材料的XRD图谱。从图9中可以看出得到的新型三元层状MAX相材料其XRD谱图与211MAX相谱图基本相似，说明得到的新相为A位含Cu的MAX相材料，此外，XRD结果表明产物中还存在着CuIn合金相以及TiC。

[0068] 图10a和图10b为制备的Ti2CuN MAX相粉体材料的SEM图和EDS图，从图中可以看出，其形貌为MAX相材料典型的层状结构。EDS结果表明，颗粒表面含有Ti、Cu、In、C四种元素，Ti:(Cu+In)≈2:1，In：(Cu+In)≈0.6，说明Cu原子主要进入了MAX相的A位，得到了A位含铜的新型MAX相材料Ti2(CuxIn1-x)C。

[0069] 实施例6：本实施例中，新型三元层状MAX相材料为V2(CuxAl1-x)C，原料为V2AlC粉体，Cu为Cu粉，无机盐为NaCl和KCl，这些原料均可以通过市售等途径获取。该V2(CuxAl1-x)C的制备方法如下：

[0070] (1)称取氯化钠3.6g，氯化钾4.65g，300目的V2AlC粉1g，300目的Cu粉1.2g，将上述材料研磨混合，得到混合产物。

[0071] (2)将混合物置于刚玉坩埚内，放入高温管式炉内进行反应。反应条件为：400℃保温720min，氩气保护。待管式炉温度降到室温后，取出坩埚内反应产物。

[0072] (3)用去离子水和酒精洗涤反应产物：将反应产物放入烧杯中，加入去离子水，搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时，倒掉上清液。洗涤反应产物三次后，再用乙醇清洗后将其放入80℃的烘箱内，24小时后取出，得到粉体产物。

[0073] 图11为制备得到的V2(CuxAl1-x)C MAX相材料的XRD图谱。从图11中可以看出得到的新型三元层状MAX相材料其XRD谱图与211V2AlC MAX相衍射峰图谱基本相似，并存在Cu单质，说明得到的新相为含Cu的MAX相材料，Cu主要存在在MAX相的A位。

[0074] 实施例7：本实施例中，新型三元层状MAX相材料为Ti3CuC2，粒度1μm的钛粉2.9g，300目CuO粉1.5g，300目的Al粉1.5g，300目的碳粉0.48g，无机盐为NaCl和KCl，这些原料均可以通过市售等途径获取。该Ti3CuC2的制备方法如下：

[0075] (1)称取氯化钠1.2g，氯化钾1.55g，，粒度1μm的钛粉2.9g，300目CuO粉1.5g，300目的Al粉1.5g，300目的碳粉0.48g，将上述材料研磨混合，得到混合产物。

[0076] (2)将混合物置于刚玉坩埚内，放入高温管式炉内进行反应。反应条件为：800℃保温300min，氩气保护。待管式炉温度降到室温后，取出坩埚内反应产物。

[0077] (3)用去离子水和酒精洗涤反应产物：将反应产物放入烧杯中，加入去离子水，搅拌并超声清洗30分钟后静置1小时，倒掉上清液。洗涤反应产物三次后，再用乙醇清洗后将其放入45℃的烘箱内，24小时后取出，得到粉体产物。

[0078] 图12为制备得到的Ti3CuC2MAX相材料的XRD图谱。从图12中可以看出得到的新型三元层状Ti3CuC2MAX相材料其XRD谱图与312Ti3AlC2MAX相谱图基本相似，并存在Cu单质以及氧化铝，说明Al与CuO置换反应后的Cu进入了MAX相材料，最后得到的新相为含Cu的MAX相材料，Cu主要存在于MAX相的A位。

[0079] 此外，本案发明人还以本说明书述及的其它原料及工艺条件替代前述实施例1-7中的相应原料及工艺条件进行了相关实验，结果均显示，可以获得基于Cu、Ag、Co或Ni元素的新型三元层状MAX相材料。

[0080] 综述之，较之现有的MAX相材料，本发明前述实施例提供的新型MAX相材料具有高强度、高导热、抗氧化、耐高温、高损伤容限和可加工等一系列优点，且制备工艺简单易操作，在核能结构材料、催化、吸波、电磁屏蔽、自旋电子以及磁制冷等领域具有潜在的应用前景。

[0081] 应当理解，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。