【摘 要】
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二维过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)的表面端接基团对MXenes的性能有很大影响。在MXenes表面引入氨基基团不仅可以增加其表面的偶极子,而且可以调控纳米组装单元之间的共价键与氢键比例,从而实现其组装体的多种优异性能,扩大其应用范围。目前常用的氨基改性方法为熔盐蚀刻法和聚合物枝接法。其中,熔盐蚀刻法要求温度高,操作困难;而聚合物的引入则会导致导电导热性能的下降。据此,为了解决这些问题,本文
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二维过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)的表面端接基团对MXenes的性能有很大影响。在MXenes表面引入氨基基团不仅可以增加其表面的偶极子,而且可以调控纳米组装单元之间的共价键与氢键比例,从而实现其组装体的多种优异性能,扩大其应用范围。目前常用的氨基改性方法为熔盐蚀刻法和聚合物枝接法。其中,熔盐蚀刻法要求温度高,操作困难;而聚合物的引入则会导致导电导热性能的下降。据此,为了解决这些问题,本文提出了一种简单的封闭热法,直接在Ti3C2MXene表面引入氨基,然后基于Ti3C2–NH2 MXene制备了一种多功能的rGO/Ti3C2–NH2复合薄膜。主要研究内容与结果如下:(1)封闭热法Ti3C2–NH2 MXene的制备与氨基引入机理研究。采用封闭热法在Ti3C2MXene表面直接引入氨基基团;利用红外光谱和X射线光电子能谱,结合Ti3C2-NH2基复合材料的电磁屏蔽性能和界面强化作用的分析,证明了氨基的直接引入,提出了相应的引入机理;使用Zeta电位和紫外光电子能谱分析了Ti3C2–NH2的溶液分散性和导电性。结果表明:封闭热法可以方便地在Ti3C2MXene表面直接引入氨基基团,得到的Ti3C2–NH2纳米片的形貌和晶体结构与常规Ti3C2纳米片相似;氨基的引入是由于带正电的NH4+攻击与Ti有较低结合能的带负电的-OH基团从而使部分-OH基团被-NH2基团取代;尽管Ti3C2-NH2纳米片的电负性和电子载流子密度有所降低,其仍然具有优异的溶液分散性和导电性。(2)多功能rGO/Ti3C2–NH2复合薄膜的制备和性能研究。分析了Ti3C2–NH2对复合薄膜的界面作用和纳米结构有序性的影响,探究了界面作用和纳米结构有序性对复合薄膜力学性能、面内导热性能和电磁波响应性能的改善机制。结果表明:Ti3C2–NH2可以诱导复合薄膜界面作用共价键化,使薄膜的纳米结构有序性更好;共价键的存在使rGO/Ti3C2–NH2薄膜的力学性能大幅提高,其拉伸强度和断裂能最高可分别达到213.82 MPa和196.19 J mm-2,残余应力最高可保持81%。在150 MPa的最大拉伸载荷下,3rGO/7Ti3C2–NH2薄膜的平均疲劳失效循环次数达到16951次;面内有序性和酰胺共价键大幅降低了复合薄膜的界面热阻,其最大热导率约为48.9 W m-1 K-1;Ti3C2-NH2基薄膜在X波段和中红外波段的吸收率均超过各组分的最大值,其在X波段的最大吸收率约为70%,在中红外波段的最大吸收率约为55%。这些结果表明该薄膜具有优异的力学、电磁屏蔽、散热和热积累监测性能,在多功能柔性薄膜方面具有良好的应用前景。
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