二维Ti3C2纳米材料的制备表征及其性能研究

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将Mn+1AXn相结构中的‘A’层选择性抽离后所得到的二维结构Mn+1xn材料具有很多类似于石墨烯的优异性能,如具有很好的稳定性,很高的弯曲强度和弹性模量,良好的电学性能和铁磁性,同时还保持着Mn+1AXn相材料的特性,如良好的抗氧化性能,很高的热稳定性等。这些优异的性能和独特的结构使得Mn+1Xn材料在锂电池电极材料,电子器件,超级电容器,摩擦润滑以及复合材料增强相等领域有着广阔的应用前景。  本文用无压烧结法制备了较高纯度的Ti3SiC2和Ti3AlC2粉体,研究了其在HF溶液中的微观结构变化,成功制备了类石墨烯二维Ti3C2材料,并考察了其作为润滑油添加剂的摩擦学性能。主要研究内有如下:  (1)将原料按照一定的配比,通过5h的球磨混合,在1350℃下无压烧结2h制备了较高纯度的Ti3SiC2和Ti3AlC2粉体。探索了原料配比和不同工艺参数对合成产物的影响,研究了原料在950~1350℃下烧结过程中的相变化,得出了Ti3SiC2和Ti3AlC2的合成机制。  (2)探讨了Ti3AlC2和Ti3SiC2在高压水热条件下与HF溶液的反应机制,发现Ti3AlC2结构中的Al层首先被刻蚀掉,六方排布的Ti-C层发生了晶格重排转变成了立方排布,但Ti3AlC2最终溶解在HF溶液中,从结构中刻蚀的Al与溶液发生反应,在水热状态下生成立方体状的AlF3·H2O。而Ti3SiC2在常温HF溶液中发生了层片分离的想象,但是结构中的Si层的刻蚀还伴随着Ti-C层的破裂,层间分离的程度并不理想。  (3)将用化学液相刻蚀法在室温下对Ti3AlC2粉体进行20 h化学刻蚀制备了类石墨烯二维Ti3C2材料,发现其刻蚀方向会优先选择(0001)基面,使Al层从结构中抽离,以致结构中的Ti-C层相互剥离,层片的平均厚度约为13.75nm,约含有7个Ti-C单层。将Ti3C2纳米材料作为添加剂能明显改善液体石蜡的摩擦学性能,由于摩擦副之间的剪切与极压作用使得表面形成一层Ti3C2润滑膜,阻隔两个摩擦副的直接接触,添加量为1wt%的减摩抗磨效果最优。
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