CN116026195B - 一种MXene复合薄膜飞片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MXene复合薄膜飞片及其制备方法，包括：以具有优异综合性能的聚酰亚胺作为材料基底，以片状的MXene材料和导电纳米纤维作为添加剂，制备成复合薄膜作为***箔组件的飞片。通过一维和二维纳米材料的协同作用，实现对电磁波的反射和吸收，使得复合薄膜作为***箔组件的飞片结构件的同时，还能对组件提供电磁防护功能。
Description
技术领域
本发明属于火工品技术领域，更具体地说，本发明涉及一种MXene复合薄膜飞片及其制备方法。
背景技术
冲击片***也称为直列式起爆***,其组成包括脉冲功率单元和***箔组件。脉冲功率单元主要包括控制电路、升压模块、高压电容以及高压开关等，为***箔***单元提供金属电爆所需要的能量。***箔组件主要包括背板、***箔、飞片、加速膛以及钝感装药，通过金属电***产生的等离子体迅速膨胀剪切飞片，经过加速膛使飞片达到每秒几千米的速度，撞击***，超过冲击片起爆临界值时激起***爆轰。
随着电子与通讯设备高功率化、高密度化和高集成化的快速发展，由电磁波引起的电磁辐射、电磁干扰和信息泄露等问题日益严重。为保障精密元器件的运行可靠性和信息安全性，同时保护人体健康，亟需具有电磁屏蔽性能的各类材料。金属材料因其高电导率和高电磁屏蔽效能而被广泛用作电磁屏蔽材料，但其密度高、柔韧性低等缺点严重限制了在一些特殊领域的应用。
MXene是一种具有类似石墨烯结构的二维过渡金属碳化物或氮化物，拥有着优良的导电性和及其优异的电磁屏蔽性能，在超级电容器、电池、电磁屏蔽和复合材料等中得到越来越广泛的应用。但MXene材料的力学性能相对较差，通常需要与其他材料复合，才能达到使用场景的要求。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种MXene复合薄膜飞片，其以聚酰亚胺作为材料基底，以片状的MXene材料和导电纳米纤维作为掺杂物，制备成复合薄膜飞片，并作为***箔组件的飞片结构。
优选的是，其中，使用MXene复合薄膜飞片作为飞片结构的***箔组件的结构包括：
基板，其上沉积有铜膜，所述铜膜上经过光刻图案化，形成铜***箔图形阵列；
聚酰亚胺绝缘层，其沉积在所述铜***箔图形阵列上；
复合薄膜，其沉积在所述聚酰亚胺绝缘层上；所述复合薄膜的上表面通过光刻工艺制成加速膛，然后进行划片，或者先划片再粘贴加速膛。
优选的是，其中，所述基板为方形或圆形氧化铝陶瓷片，所述基板的厚度为0.5～2毫米。
优选的是，其中，所述铜***箔图形阵列的制备方法包括：采用蒸镀或磁控溅射法在所述基板上沉积铜膜作为换能元，铜膜厚度为1～10微米，采用光刻工艺刻蚀铜膜，制备铜***箔图形阵列，形成***箔焊盘区和***箔桥区。
优选的是，其中，所述聚酰亚胺绝缘层采用液相旋涂或化学气相沉积的方法沉积在所述铜***箔图形阵列上，所述聚酰亚胺绝缘层的厚度为1～50微米；所述聚酰亚胺绝缘层中的聚酰亚胺采用均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚作为前驱体合成原料，加热脱水合成，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚的用量摩尔比为1.01:1。
一种MXene复合薄膜飞片的制备方法，包括：在聚酰亚胺绝缘层上采用旋涂结合热亚胺化的方式沉积复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为1～50微米。
优选的是，其中，所述复合薄膜中的旋涂液的基底材料为聚酰胺酸溶液，所述聚酰胺酸溶液采用均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚作为前驱体合成，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚的用量摩尔比为1.01:1。
优选的是，其中，所述复合薄膜中的掺杂物包括：第一组份为MXene材料，所述MXene材料的通式为Mn+1XnTx，其中，n＝1-3，M为过渡金属Sc、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种；X为碳和/或氮；Tx代表官能团，为-OH、-O、-F、-Cl中的一种或多种；
第二组分为碳纳米管、银纳米线中的一种或两种，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管以及相应的羧基化、羟基化衍生物；所述银纳米线的直径为1～300纳米，长度1～50微米；
所述第一组分和第二组分掺杂物中，第一组分MXene材料的质量占掺杂物总质量的比例为10％～95％；
所述掺杂物占复合薄膜总质量的比例为10％～90％。
优选的是，其中，所述复合薄膜中掺杂物的掺杂方法包括：将MXene粉末、碳纳米管和/或银纳米线分别超声分散到N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮溶液中，然后混合超声，使两组分混合均匀，得到混合分散液；室温条件下，将均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚分别加入到N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮溶液中，机械搅拌，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚发生缩合反应获得聚酰胺酸溶液，然后将聚酰胺酸溶液与混合分散液通过超声和机械搅拌充分混合，得到掺杂聚酰胺酸溶液；所述掺杂聚酰胺酸溶液作为旋涂液制备复合薄膜。
优选的是，其中，所述加速膛采用光刻工艺制成加速膛阵列后划片，或者采用粘贴的方式将加速膛粘贴在复合薄膜上；光刻工艺使用SU8光刻胶制成厚度为200～800微米的加速膛，加速膛为圆孔，圆孔的孔径为200～1200微米，加速膛圆孔位于***箔桥区正上方。
本发明至少包括以下有益效果：本发明以具有优异综合性能的聚酰亚胺作为材料基底，以片状的MXene材料和导电纳米纤维作为添加剂，制备成复合薄膜作为***箔组件的飞片。通过一维和二维纳米材料的协同作用，实现对电磁波的反射和吸收，使得复合薄膜作为***箔组件的飞片结构件的同时，还能对组件提供电磁防护功能。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为使用实施例1中的复合薄膜作为飞片结构的***箔组件的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
图1示出了一种使用MXene复合薄膜作为飞片结构的***箔组件，其结构包括：
基板1，其为方形氧化铝陶瓷片，基板的厚度为0.5毫米，基板1上采用蒸镀的方法沉积有铜膜作为换能元，铜膜厚度为1微米，铜膜上经过光刻图案化，形成铜***箔图形阵列2，形成***箔焊盘区和***箔桥区；
聚酰亚胺绝缘层3，其采用液相旋涂的方式沉积在铜***箔图形阵列2上，聚酰亚胺绝缘层的厚度为1微米，聚酰亚胺绝缘层3中的聚酰亚胺采用均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚作为前驱体合成聚酰胺酸，然后加热脱水得到聚酰亚胺；
复合薄膜4，其采用旋涂结合热亚胺化的方式沉积在聚酰亚胺绝缘层3上，复合薄膜的厚度为1微米；所述复合薄膜4的上表面通过光刻工艺制成加速膛5，然后进行划片，光刻工艺使用SU8光刻胶制成厚度为200微米的加速膛5，加速膛5为圆孔，圆孔的孔径为200微米，加速膛圆孔位于***箔桥区正上方；
其中，复合薄膜飞片的制备方法包括：将MXene粉末、碳纳米管和银纳米线分别超声分散到N,N-二甲基乙酰胺溶液中，然后混合超声，使两组分混合均匀，得到混合分散液，其中MXene粉末占掺杂物(MXene粉末、碳纳米管和银纳米线)总质量的比例为10％；MXene材料的通式为Tin+1CnTx，Tx代表官能团，所述MXene材料采用MAX相粉末经酸刻蚀法制备得到；碳纳米管为单壁碳纳米管；银纳米线的直径为1纳米，长度为1微米；其中，n＝1，M为过渡金属Sc；X为碳；Tx代表官能团，为-OH；
室温条件下，将均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚分别加入到N,N-二甲基乙酰胺溶液中，机械搅拌，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚发生缩合反应获得聚酰胺酸溶液，然后将聚酰胺酸溶液与混合分散液通过超声和机械搅拌充分混合，得到掺杂聚酰胺酸溶液；
使用掺杂聚酰胺酸溶液作为旋涂液，在聚酰亚胺绝缘层上采用旋涂结合热亚胺化的方式沉积复合薄膜，其中掺杂物(MXene粉末、碳纳米管和银纳米线)的质量占复合薄膜总质量的比例为10％。
实施例2
本实施例提供的一种使用MXene复合薄膜作为飞片结构的***箔组件的结构与实施例1相同，即包括：
基板1，其为方形氧化铝陶瓷片，基板的厚度为1毫米，基板1上采用蒸镀的方法沉积有铜膜作为换能元，铜膜厚度为5微米，铜膜上经过光刻图案化，形成铜***箔图形阵列2，形成***箔焊盘区和***箔桥区；
聚酰亚胺绝缘层3，其采用液相旋涂的方式沉积在铜***箔图形阵列2上，聚酰亚胺绝缘层的厚度为25微米，聚酰亚胺绝缘层3中的聚酰亚胺采用均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚作为前驱体合成聚酰胺酸，然后加热脱水得到聚酰亚胺；
复合薄膜4，其采用旋涂结合热亚胺化的方式沉积在聚酰亚胺绝缘层3上，复合薄膜的厚度为25微米；所述复合薄膜4的上表面通过光刻工艺制成加速膛5，然后进行划片，光刻工艺使用SU8光刻胶制成厚度为500微米的加速膛5，加速膛5为圆孔，圆孔的孔径为700微米，加速膛圆孔位于***箔桥区正上方；
其中，复合薄膜飞片的制备方法包括：将MXene粉末、碳纳米管和银纳米线分别超声分散到N,N-二甲基乙酰胺溶液中，然后混合超声，使两组分混合均匀，得到混合分散液，其中MXene粉末占掺杂物(MXene粉末、碳纳米管和银纳米线)总质量的比例为50％；MXene材料的通式为Tin+1CnTx，Tx代表官能团，所述MXene材料采用MAX相粉末经酸刻蚀法制备得到；碳纳米管为单壁碳纳米管；银纳米线的直径为150纳米，长度为25微米；其中，n＝2，M为过渡金属Sc；X为碳；Tx代表官能团，为-OH；
室温条件下，将均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚分别加入到N,N-二甲基乙酰胺溶液中，机械搅拌，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚发生缩合反应获得聚酰胺酸溶液，然后将聚酰胺酸溶液与混合分散液通过超声和机械搅拌充分混合，得到掺杂聚酰胺酸溶液；
使用掺杂聚酰胺酸溶液作为旋涂液，在聚酰亚胺绝缘层上采用旋涂结合热亚胺化的方式沉积复合薄膜，其中掺杂物(MXene粉末、碳纳米管和银纳米线)的质量占复合薄膜总质量的比例为50％。
实施例3
本实施例提供的一种使用MXene复合薄膜作为飞片结构的***箔组件的结构与实施例1相同，即包括：
基板1，其为圆形氧化铝陶瓷片，基板的厚度为2毫米，基板1上采用磁控溅射的方法沉积有铜膜作为换能元，铜膜厚度为10微米，铜膜上经过光刻图案化，形成铜***箔图形阵列2，形成***箔焊盘区和***箔桥区；
聚酰亚胺绝缘层3，其采用化学气相沉积的方式沉积在铜***箔图形阵列2上，聚酰亚胺绝缘层的厚度为50微米，聚酰亚胺绝缘层3中的聚酰亚胺采用均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚作为前驱体合成聚酰胺酸，然后加热脱水得到聚酰亚胺；
复合薄膜4，其采用旋涂结合热亚胺化的方式沉积在聚酰亚胺绝缘层3上，复合薄膜的厚度为50微米；所述复合薄膜4的上表面通过粘贴加速膛5加速膛5的厚度为800微米，加速膛5为圆孔，圆孔的孔径为1200微米，加速膛圆孔位于***箔桥区正上方；
其中，复合薄膜飞片的制备方法包括：将MXene粉末、碳纳米管和银纳米线分别超声分散到N-甲基吡咯烷酮溶液中，然后混合超声，使两组分混合均匀，得到混合分散液，其中MXene粉末占掺杂物(MXene粉末、碳纳米管和银纳米线)总质量的比例为95％；MXene材料的通式为Tin+1CnTx，Tx代表官能团，所述MXene材料采用MAX相粉末经酸刻蚀法制备得到；碳纳米管为单壁碳纳米管；银纳米线的直径为300纳米，长度为50微米；其中，n＝3，M为过渡金属Sc；X为碳；Tx代表官能团，为-OH；
室温条件下，将均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚分别加入到N-甲基吡咯烷酮溶液中，机械搅拌，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚发生缩合反应获得聚酰胺酸溶液，然后将聚酰胺酸溶液与混合分散液通过超声和机械搅拌充分混合，得到掺杂聚酰胺酸溶液；
使用掺杂聚酰胺酸溶液作为旋涂液，在聚酰亚胺绝缘层上采用旋涂结合热亚胺化的方式沉积复合薄膜，其中掺杂物(MXene粉末、碳纳米管和银纳米线)的质量占复合薄膜总质量的比例为90％。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (4)
1.一种MXene复合薄膜飞片，其特征在于，其以聚酰亚胺作为材料基底，以片状的MXene材料和导电纳米纤维作为掺杂物，制备成复合薄膜，并作为***箔组件的飞片结构；
使用MXene复合薄膜飞片作为***箔组件的结构包括：
基板，其上沉积有铜膜，所述铜膜上经过光刻图案化，形成铜***箔图形阵列；
聚酰亚胺绝缘层，其沉积在所述铜***箔图形阵列上；
复合薄膜，其沉积在所述聚酰亚胺绝缘层上；所述复合薄膜的上表面通过光刻工艺制成加速膛，然后进行划片，或者先划片再粘贴加速膛；
所述复合薄膜中的掺杂物包括：第一组份为MXene材料，所述MXene材料的通式为Mn+ 1XnTx，其中，n＝1-3，M为过渡金属Sc、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中的一种；X为碳和/或氮；Tx代表官能团，为-OH、-O、-F、-Cl中的一种或多种；所述MXene材料采用MAX相粉末经酸刻蚀法制备得到；
第二组分为碳纳米管、银纳米线中的一种或两种，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管以及相应的羧基化、羟基化衍生物；所述银纳米线的直径为1～300纳米，长度1～50微米；
所述第一组分和第二组分掺杂物中，第一组分MXene材料的质量占掺杂物总质量的比例为10％～95％；
所述掺杂物占复合薄膜总质量的比例为10％～90％；
所述聚酰亚胺绝缘层采用液相旋涂或化学气相沉积的方法沉积在所述铜***箔图形阵列上，所述聚酰亚胺绝缘层的厚度为1～50微米；所述聚酰亚胺绝缘层中的聚酰亚胺采用均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚作为前驱体合成原料，加热脱水合成，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚的用量摩尔比为1.01:1；
在聚酰亚胺绝缘层上采用旋涂结合热亚胺化的方式沉积复合薄膜，所述复合薄膜的厚度为1～50微米；
所述复合薄膜中的旋涂液的基底材料为聚酰胺酸溶液，所述聚酰胺酸溶液采用均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚作为前驱体合成，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚的用量摩尔比为1.01:1；
所述复合薄膜中掺杂物的掺杂方法包括：将MXene粉末、碳纳米管和/或银纳米线分别超声分散到N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮溶液中，然后混合超声，使两组分混合均匀，得到混合分散液；室温条件下，将均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚分别加入到N,N-二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮溶液中，机械搅拌，均苯四甲酸二酐和4,4’-二氨基二苯醚发生缩合反应获得聚酰胺酸溶液，然后将聚酰胺酸溶液与混合分散液通过超声和机械搅拌充分混合，得到掺杂聚酰胺酸溶液；所述掺杂聚酰胺酸溶液作为旋涂液制备复合薄膜。
2.如权利要求1所述的MXene复合薄膜飞片，其特征在于，所述基板为方形或圆形氧化铝陶瓷片，所述基板的厚度为0.5～2毫米。
3.如权利要求1所述的MXene复合薄膜飞片，其特征在于，所述铜***箔图形阵列的制备方法包括：采用蒸镀或磁控溅射法在所述基板上沉积铜膜作为换能元，铜膜厚度为1～10微米，采用光刻工艺刻蚀铜膜，制备铜***箔图形阵列，形成***箔焊盘区和***箔桥区。
4.如权利要求1所述的MXene复合薄膜飞片，其特征在于，所述加速膛采用光刻工艺制成加速膛阵列后划片，或者采用粘贴的方式将加速膛粘贴在复合薄膜上；光刻工艺使用SU8光刻胶制成厚度为200～800微米的加速膛，加速膛为圆孔，圆孔的孔径为200～1200微米，加速膛圆孔位于***箔桥区正上方。
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