一种复合材料及其制备方法和应用

本发明属于电子材料，特别涉及一种具有高导电、高电磁吸收的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电磁波是一种常见的信息传输方式。随着电子信息科学和技术的快速发展，电磁波在日常生活中的应用不断扩大。然而，严重的电磁波干扰和辐射可能会危害人类的身体健康，损害电子元器件的使用寿命，甚至涉及信息安全。为了保障人类健康和电子元器件不受电磁波损害，开发高性能的电磁波吸收材料至关重要。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种复合材料，该复合材料具有高导电、高电磁吸收性能；本发明的目的之二在于提供这种复合材料的制备方法；本发明的目的之三在于提供这种复合材料的应用。

2、本发明的发明构思是：mxene是一类二维过渡金属碳化物或氮化物的材料家族，它们在导电和电磁屏蔽方面显示出很高的潜力。例如在超级电容器(超级电池)和锂离子电池中。mxene电极能够提供高电导率，有助于提高电池和超级电容器的性能。同时，mxene的导电性能使其成为制造灵敏传感器的理想材料，可用于检测气体、湿度、温度等物理和化学参数。此外，mxene在电磁频率范围内表现出卓越的电磁屏蔽性能，这使其成为电子设备、通信设备和军事应用等领域中理想的电磁屏蔽材料。mxene能够有效吸收和散射电磁波，减少电磁辐射的影响。mxene在这些应用中的优势包括其高导电性、化学稳定性、良好的机械性能以及二维结构的特性，使其在电子和电磁材料领域备受关注。但是过高的电导率引发的阻抗不匹配导致其以电磁反射为主，电磁吸收性能较弱，难以应用于电磁吸收领域。基于此，本发明通过结构设计，采用错位叠层结构mxene与具有纳米级或微米级粒径的磁性颗粒，形成磁性颗粒插层的错位叠层结构mxene复合材料，使其具有高导电、高电磁吸收性能。

3、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

4、本发明的第一方面提供一种复合材料，包括错位叠层结构的mxene材料和磁性颗粒；所述磁性颗粒具有纳米级或微米级粒径。

5、在本发明所述复合材料的一些实施方式中，所述磁性微纳米颗粒位于所述mxene材料的层间或/和表面。

6、在本发明所述复合材料的一些实施方式中，所述磁性颗粒与所述mxene材料的质量比为(0.1～50)：100。

7、在本发明所述复合材料的一些具体实施方式中，所述磁性颗粒与所述mxene材料的质量比为(0.5～10)：100。

8、在本发明所述复合材料的一些实施例中，所述磁性颗粒与所述mxene材料的质量比为(0.8～5)：100。

9、在本发明所述复合材料的一些实施方式中，所述mxene材料的通式为mn+1xn或mn+1xntx，其中，m为过渡金属元素，x为碳或氮元素，t为表面官能团，n＝1、2或3，x为表面官能团数。

10、在本发明的一些具体实施方式中，所述mxene材料的通式中，m包括ti、sc、v、nb、zr、hf、ta、cr、mo、mn中的至少一种；x为c；n＝1、2或3；tx为-o、-oh或-f。

11、在本发明的一些实施例中，所述mxene材料包括ti2ctx、ti3c2tx、mo2tic2tx、mo2ti2c3tx、ti4c3tx、mo3c2tx、mo4c3tx中的至少一种。

12、在本发明所述复合材料的一些实施方式中，所述磁性颗粒包括磁性金属、磁性金属合金、磁性金属氧化物中的至少一种颗粒。

13、在本发明的一些具体实施方式中，所述磁性颗粒包括铁磁性颗粒。

14、在本发明的一些实施例中，所述磁性颗粒包括铁金属、四氧化三铁、磁性铁合金、磁性铁氧体中的至少一种颗粒。

15、在本发明的一些具体实施例中，所述磁性颗粒选自钴铁氧体、锰铁氧体、锌铁氧体、铜铁氧体、镍铁氧体中的至少一种颗粒。

16、在本发明所述复合材料的一些实施方式中，所述磁性颗粒的粒径为5nm～1μm。

17、在本发明的一些具体实施方式中，所述磁性颗粒的粒径为30nm～300nm。

18、在本发明的一些实施例中，所述磁性颗粒的粒径为30nm～100nm。

19、在本发明所述复合材料的一些实施方式中，所述复合材料在9.4ghz的最小反射损耗rlmin(rlmin表示对电磁波的吸收性能)≤-20db。

20、在本发明所述复合材料的一些实施方式中，所述复合材料的导电率≥1s/cm。

21、本发明的第二方面提供了本发明第一方面所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：

22、(1)多层结构mxene的制备：将mxene的前驱体与酸溶液混合反应，然后洗涤，得到多层状结构的mxene；

23、(2)错位叠层结构mxene的制备：将所述多层结构的mxene置于溶液中，进行振荡、超声，然后分离、干燥，得到错位叠层结构的mxene；

24、(3)mxene-磁性颗粒复合材料的制备：将所述错位叠层结构的mxene、磁性颗粒前驱体、表面活性剂与溶剂混合，进行反应，再将所得的反应产物进行热还原，得到所述的复合材料。

25、本发明通过适当的振荡、超声过程制备了具有错位叠层结构的mxene；随后通过溶剂热法，将磁性颗粒(如铁氧体颗粒)原位生长在mxene的表面以及层间；最后通过热还原过程，增加两种组分之间的结合能力，同时析出低介电物质与磁性金属颗粒，形成具有错位叠层结构的、多分级结构的复合材料。其中，振荡、超声过程使得mxene，表面层间被部分破坏，暴露出更多层间结构、同时层与层之前出现位错，具有更大的层间距与比表面积。由于mxene表面具有丰富的、带负电荷的表面官能团，能够吸引金属离子吸附至其表面以及层间，溶剂热过程中使其原位生长纳米级或微米级的磁性颗粒，能引入磁性颗粒的同时，进一步增大mxene的层间距。最后的热还原过程使得mxene表面析出低介电物质，磁性颗粒(如铁氧体颗粒)表面析出磁合金颗粒，形成具有纳米级或微米级磁性颗粒(如铁氧体颗粒)插层的、具有错层结构的mxene复合材料。

26、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(1)中，所述mxene的前驱体为max材料。其中，max材料的通式为：mn+1axn，其中，m为过渡金属元素；a为iiia或iva元素，x为c或n，n＝1、2或3。在本发明的一些实施例中，所述mxene的前驱体为ti2alc、ti3alc2、mo2tialc2、mo2ti2alc3中的至少一种。

27、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(1)中，所述酸溶液包括氢氟酸、盐酸、硫酸、硝酸中的至少一种。

28、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(2)中，所述多层结构的mxene与所述溶液的质量比为(0.05～2)：100。

29、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(2)中，所述多层结构的mxene与所述溶液的质量比为(0.1～1)：100。

30、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(2)中，所述溶液包括水或有机溶剂。

31、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(2)中，所述振荡的时间为24h～72h。

32、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(2)中，所述振荡的时间为24h～48h。

33、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(2)中，所述超声的时间为1h～4h。

34、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(2)中，所述超声的时间为1h～2h。

35、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(2)中，所述分离的方法为离心。

36、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(2)中，所述干燥的方法为冷冻干燥。

37、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述错位叠层结构的mxene与所述磁性颗粒前驱体的质量比为100：(1～50)。

38、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述磁性颗粒前驱体包括铁源，以及钴源、锰源、锌源、铜源、镍源中的至少一种。在一些具体的实施方式中，所述铁源、钴源、锰源、锌源、铜源、镍源分别独立为各自金属的可溶性盐或水合物，如选自各自金属的氯化物或其水合物、硝酸盐或其水合物、硫酸盐或其水合物、乙酸盐或其水合物。在一些实施例中，磁性颗粒前驱体包括氯化铁或其水合物，以及氯化钴或其水合物、氯化锰或其水合物、氯化锌或其水合物、氯化铜或其水合物、氯化镍或其水合物中的至少一种。

39、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述错位叠层结构的mxene与所述表面活性剂的质量比为1：(2～20)。

40、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(3)中，错位叠层结构的mxene与表面活性剂的质量比为1：(4～10)。

41、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述表面活性剂包括聚乙二醇、聚乙烯醇、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。

42、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述错位叠层结构的mxene与所述溶剂的用量比为(0.05～1)g：100ml。

43、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(3)中，错位叠层结构的mxene与溶剂的用量比为(0.1～0.5)g：100ml。

44、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述溶剂包括水或有机溶剂。在一些具体实施方式中，所述有机溶剂包括醇溶剂、酯溶剂、酮溶剂中的至少一种。在一些实施例中，所述溶剂包括水、乙二醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的至少一种。

45、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，还包括加入ph调节剂参与反应。

46、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(3)中，所述ph调节剂包括碱金属醋酸盐或其水合物、碱金属碳酸盐、碱金属碳酸氢盐、氨水、三乙醇胺中的至少一种。

47、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施例中，所述步骤(3)中，所述ph调节剂选自醋酸钠或其水合物、碳酸钠、碳酸氢钠中的至少一种。

48、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述错位叠层结构的mxene与所述ph调节剂的质量比为1：(1～100)。

49、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(3)中，所述错位叠层结构的mxene与所述ph调节剂的质量比为1：(5～50)。

50、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施例中，所述步骤(3)中，所述错位叠层结构的mxene与所述ph调节剂的质量比为1：(10～20)。

51、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述反应温度为150℃～300℃。

52、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(3)中，所述反应温度为160℃～200℃。

53、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述反应时间为8h～36h。

54、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(3)中，所述反应时间为10h～20h。

55、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述进行反应后，还包括分离、干燥反应产物的步骤。在一些具体实施方式中，所述分离的方法为离心；所述干燥的方法为冷冻干燥。在一些实施例中，干燥的时间为24h～50h。

56、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述热还原温度为350℃～700℃。

57、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(3)中，所述热还原温度为400℃～600℃。

58、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述热还原时间为1h～6h。

59、在本发明所述复合材料制备方法的一些具体实施方式中，所述步骤(3)中，所述热还原时间为1h～2h。

60、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)中，所述热还原的气氛为还原性气体/惰性气体混合气氛。

61、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)热还原的气氛中，所述还原性气体为氢气。

62、在本发明所述复合材料制备方法的一些实施方式中，所述步骤(3)热还原的气氛中，所述惰性气体为氩气。

63、本发明的第三方面提供了本发明第一方面所述的复合材料在导电、电磁屏蔽或电磁吸收领域中的应用。

64、本发明的第四方面提供了一种设备，包括本发明第一方面所述的复合材料。

65、在本发明所述设备的一些实施方式中，所述设备为导电、电磁屏蔽或电磁吸收设备。

66、本发明的有益效果是：

67、本发明提供的mxene-磁性颗粒复合材料，具有高导电、高电磁吸收的性能，可应用在导电、电磁屏蔽、电磁吸收等领域。

68、具体来说，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

69、1、本发明提供的复合材料具有高导电性。通过mxene和具有纳米级或微米级粒径的磁性颗粒，可形成磁性颗粒插层的，错位叠层结构mxene复合材料。mxene和磁性颗粒本身具有一定的电磁吸收性能，错位叠层结构具有显著提高复合材料的导电性。

70、2、本发明提供的复合材料具有良好的电磁波吸收性能，例如在9.4ghz的最小反射损耗为-49.04db，匹配厚度为1.6毫米，超过mxene ti3c2tx的最小反射损耗-2.9db。

71、3、本发明的复合材料在制备时，通过振荡、超声过程使得mxene表面层被部分破坏，暴露更多的层间结构，同时使层与层之间出现位错，可以增加mxene块体间的接触面积，形成导电网络，使得错位叠层结构mxene具有较好的电导率；与多层结构mxene相比，错层结构mxene导电率从30.55s/cm提至61.45s/cm。

72、4、本发明提供这种能高效吸收电磁波的复合材料，可以保障人类健康和电子元器件不受电磁波损害，有利于保证信息安全，也有助于推动5g通讯的应用。