[发明专利]大面积柔性无机有机插层超晶格薄膜及其制备方法

说明书

本发明使用多晶层状无机粉末为原材料，使用机械研磨的方法实现基于路易斯酸反应的有机插层，再经过在有机溶液中自组装、真空干燥等步骤得到大面积柔性无机层状材料基有机分子插层薄膜。该薄膜具有无机‑有机‑无机超晶格结构。该制备方法成本低、效率高。此外，该薄膜的尺寸可以通过调节自组装容器的底部尺寸来调节。所制备的杂化薄膜具有高电导率、高电磁屏蔽性能、高热电性能等诸多优点，具有实用价值，有望在新型电子器件中实现商业化应用。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种大面积具有柔性无机层状材料基有机插层超晶格薄膜及其制备方法。

背景技术

20世纪80年代后有不少制备无机材料有机插层材料的报道。但其中大部分使用的基体材料为单晶，插层方法为将单晶浸泡在有机溶液中加热数天或数十天。单晶的生长特别耗时且成本较高，另外所制备的插层材料的尺寸受到单晶材料的限制，因此这种以单晶为原材料的插层技术实用程度低。后期有报道使用了多晶层状无机材料作为原始材料，但是所得到的产物是粉末。传统的粉末冶金技术很难将该种插层粉末致密化到块体。由于各向异性粉末的随机取向及弱相互作用，室温下压制该类粉末获得的块体电导率极低。本发明使用多晶粉末为原材料，仅仅使用机械研磨的方法实现了基于路易斯酸反应的有机插层，耗时数十分钟。在有机溶液中自组装后，真空干燥即可得到大面积柔性的无机层状材料基有机插层薄膜。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提出以下技术方案。

一种无机有机复合薄膜，包括：无机层状材料和有机材料。在该复合薄膜中，有机材料位于无机层状材料的层间，形成“无机层-有机层-无机层”的三明治形式。无机层状材料的含量为60.0～99.9wt％，其中wt％以复合薄膜总重量计，也即以有机物与无机层状材料总重量计。所述无机层状材料为石墨烯(graphene)、氧化石墨烯(graphene oxide)、六方BN(Hexagonal Boron Nitride)、石墨相氮化碳(Graphitic Carbon Nitride)、过渡金属硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides，MX₂结构，其中，M为Mo、W、Zr、Ta、V、Cr、Nb过渡族金属，X为S、Se、Te等硫族元素)、III-VI层状半导体(III-VI LayeredSemiconductors，MX结构，其中，M＝Ga、In；X＝S、Se、Te或M₂X₃结构，其中M＝Bi；X＝S,Se,Te)、过渡金属碳化物有机物为二甲基亚砜、N-甲基甲酰胺、正己胺等有机胺分子。所述复合材料薄膜状。

本发明的另一目的在于提供一种制备本发明的复合薄膜的方法，即先将层状无机材料粉末和有机材料机械研磨混合，待无机材料粉末充分膨胀后，在有机溶液中超声分散形成均匀分散的液体组合物；然后将液体组合物经过离心、真空干燥后得到复合薄膜材料。

在本发明的制备方法中，无机层状材料的含量为40.0～99.9wt％，优选为80.0～99.8wt％，有机材料的含量为0.1～40.0wt％，优选为0.2～20.0wt％，其中wt％以复合薄膜总重量计。

在本发明的制备方法中，优选的是，先将固态无机层状材料粉末和有机材料混合后机械研磨0.1-2h，形成充分膨胀的组合粉末；将上述组合粉末转移到有机溶液中超声分散0.5-10h，形成充分分散的液体组合物；将上述组合物1000-10000转每秒离心0.1-0.5h后得到组合物清液；将上述清液转移到底部平整的容器中，在60～200℃真空烘箱中干燥1～72h，即得到复合薄膜材料。

本发明的有益效果：本发明的制备方法成本低、效率高。所制备杂化薄膜的尺寸可以通过调节自组装容器的底部尺寸来调节。所制备的杂化薄膜具有高电导率、高电磁屏蔽性能、高热电性能、高电催化特性等诸多优点，具有实用价值，有望在新型电子器件中实现商业化应用。

附图说明