[發明專利]一種以二維片狀材料為主體的塑性加工材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110028933.1
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112811415B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 許震;高超;郭凡;李澤莘
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C01B32/198
• 分類號: C01B32/198;H01B5/00
• 代理公司: 杭州君銳達知識產權代理有限公司 33544
• 代理人: 黃歡娣

本發明公開了一種以二維片狀材料為主體的塑性加工材料，屬于塑性加工材料領域。該材料至少包括主體層和位于所述主體層層間的活化層；所述活化層由具有流動性的活化介質構成，所述活化介質與二維片狀材料的接觸角小于80°憑借互穿層狀結構，該復合膜具有優異的塑性加工特性。進一步地，加工成型后材料內二維片的取向度高，且可以根據具體實用需求靈活調整片層垂直或平行取向。該方法工藝簡單，是一種可以制備具有特殊立體結構的二維宏觀組裝材料的普適性方法，簡單可控，實用性極強。

技術領域

本發明屬于塑性加工材料領域，具體涉及一種以二維片狀材料為主體的塑性加工材料及其制備方法與應用。

背景技術

塑性加工是一種具有強大經濟動力的高效加工方法，現已成為一種標準的工業技術，廣泛覆蓋了金屬鍛造領域和聚合物加工成型領域。典型的塑性成形(例如鍛造，軋制，壓印等)基本上需要一定的塑性變形能力才能將材料塑形為固定形狀的零件，在金屬和聚合物中，塑性變形能力可以通過金屬中的晶界滑動或位錯滑動以及聚合物中鏈的熱活化運動來保證。

二維片狀材料是由單層或少數層原子或者分子層組成，層內由較強的共價鍵或離子鍵連接，而層間則由較弱的范德華作用力接連。它們因獨特的平面二維結構而具有優異的力學、電學和熱學等特性。目前，二維片狀材料主要包括石墨烯(GN)、拓撲絕緣體(TI)、過渡金屬硫系化合物(TMDCs)、黑磷(BP)等。二維材料憑借獨特的微納米理化特性，一直是眾多領域關注的焦點，這為制備性能優越的宏觀材料提供了基礎。然而，二維片層間的相互作用限制了其加工性。

對于二維材料，它們表現出固有的脆性，無法滿足塑性變形的基本要求。有研究人員將聚合物與二維材料混合制備得到“橡皮泥”狀固體，該“橡皮泥”具有極高的塑性，可加工成任意形狀。但是，此類復合材料內二維納米片含量極低，通常低于10％，且二維納米片呈無規取向，所得的宏觀復合材料缺乏典型二維材料微納米理化特征，如導電、導熱特性等。迄今為止，高效率高精度地制造具有立體精細結構的二維宏觀組裝材料仍是一個巨大的挑戰。

發明內容

作為本發明的一方面，本發明提供一種以二維片狀材料為主體的塑性加工材料，解決現有的包括金屬、塑料在內的塑性加工材料在光熱轉換、電熱轉換，儲能、催化、半導體器件等領域的應用缺陷。

作為本發明的另一方面，本發明提供一種以二維片狀材料為主體的塑性加工材料，二維片狀材料的質量占總質量的50％以上，二維納米片沿平面取向，所得到宏觀復合材料具有二維片狀材料的優異理化特征(導電、導熱特性等)。

作為本發明的另一方面，本發明提供一種以二維片狀材料為主體的塑性加工材料，最小加工精度為60nm,最大拉伸比為100％，最大沖壓深度比(沖壓深度/復合膜厚度)為1000％。該材料具有主體層-活化層交叉互穿層狀結構，其中，主體層至少包括沿平面鋪設的二維片狀材料，所述活化層活化介質構成，活化介質在特定的溫度區間可以流動，所述活化介質與二維片狀材料的接觸角小于80°。其中，活化層的引入可以擴大主體層的層間距(例如，對于氧化石墨烯主體層，層間距從0.8nm最高可擴大至3nm)，根據平面間范德華作用力計算公式：

層間距的擴大會導致層間范德華作用力的冪律衰減，從而促進主體層整體的相對運動，使得以二維片狀材料為主體的材料具備塑性加工的可能性。

在某些實施例中，所述主體層在厚度方向包含1～50層所述二維片狀材料，主體層厚度的增加會導致活化層的塑化作用下降，使得宏觀材料缺乏足夠的塑性來確保加工精度和保真度。因此主體層在厚度方向優選的層數為小于30層。

在某些實施例中，活化層的厚度在5nm以下，優選為3.3nm以下，活化層厚度的提高帶來了宏觀材料整體塑性的提升，但同時導致二維片狀材料的質量占比下降，二維納米片沿平面取向變差，逐漸喪失二維片狀材料的原有的優異理化特征(導電、導熱特性等)。