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《AM》综述:​MXene被低估的应用领域——润滑-岩拓气凝胶

《AM》综述:​MXene被低估的应用领域——润滑

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提到迈克烯(Mxene),相信大多数科研人员想起的是其优秀的电学性能(电子传输能量势垒低、丰富的离子扩散通路、丰富的活性位点),却忽略了其优越的力学和摩擦性能,若能兼顾以上性能,对于提高传感材料可靠性、降低磨损和能耗、延长材料使用寿命具有十分重要的意义。

Mxene是一种具有优良机械、热和摩擦学性能的二维纳米材料,被广泛应用于各种关键研究领域,从癌症治疗到能源和环境应用。其特殊的力学性质,如优良的机械和热稳定性能和丰富的表面性能等,特别是Mxene的末端基团对聚合物具有很强的亲和力,使其具有合成先进复合材料的巨大潜力。当前,研究人员对Mxene的电学、热学、光学、电磁学、传感和其他特性方面展开了大量的研究工作,但其力学行为尚未进行深入的研究,至今仍有许多问题没有得到解答。

Rajender Varma教授在《AM》上发表题为“Mechanotribological Aspects of MXene-Reinforced Nanocomposites”的综述,总结了Mxene纳米粒子合成方法,并对Mxene和Mxene复合材料力学性能和摩擦学性能进行比较,最后指出当前Mxene研究的缺陷、挑战和未来研究的路线图。

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1. Mxene力学性能及其复合材料制备

制备Mxene复合材料主要有三种方法: 溶液共混法(Solution Mixing)、原位混聚法(In Situ Polymerization Blending)、热压法(Hot Press)。Mxene纳米片上丰富的官能团使其可以分散在极性介质中,也可以和聚合物互溶生成均匀的Mxene复合浆料,良好的分散性使得Mxene复合材料在粒子基体界面中具有良好的强度,从而产生优异的机械、摩擦学、热学和电学性能。值得注意的是,Mxene在非极性聚合物或弱极性聚合物中的溶解度仍然具有挑战性,因此需要采用适当的表面预修饰来提高分散性。

当前研究人员采用第一性原理预测二维原始Mxene弹性特性并采用密度泛函理论(DFT)预测Mxene粒子的力学性能。拉伸过程中Mxene内官能团(-O2)可以有效地减缓钛原子层的断裂,从而增强了钛原子层的柔韧性,Mxene在双轴和单轴拉应力作用下,分别能维持9.5%、17%和18%的应变 (图1a-b)。虽然官能团会降低了Mxene纳米片的模量,但显著提高了断裂韧性和临界应变(图1c-d);随着Tin+1Cn中n的减小,功能化Mxene和原始Mxene的弹性模量都有一定程度的增加(图1e-f)。值得一提的是,通过添加功能化的Mxene可以提高石墨烯氧化物的机械性能。

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除了计算研究外,许多研究人员使用原子力显微镜(AFM)纳米压痕测量Mxene力学性能并用AFM刀尖用于测量力位移值,将获得的数据进行曲线拟合,可以得到Mxene受力与位移值关系公式(图2a-f)。值得注意的是,Mxene的弹性很大程度上取决于Tin+1Cn中的“n”的数量,随着“n”的增加而减少。考虑到上述薄弱的研究工作,当前仍需广泛的研究,才能精确测量力学性,且复合材料结构中存在的表面缺陷、纳米缺陷或微观结构缺陷、界面强度不强等问题应当被发现并优化。尽管Mxene材料的制备有很多种实验方法,几乎所有的力学测量实验都是通过以上技术完成的,当前应该在原始功能化的单/多层Mxene材料上发展更加可靠以及灵活控制的新技术。

2. Mxene摩擦学研究

Mxene片的摩擦学和力学性能是至关重要的,无论是作为润滑油的添加剂,还是作为金属或聚合物基复合材料的增强剂。即使是添加少量Mxene,也能显著提高Mxene填充液的减摩抗磨性能,这是由于Mxene片具有类似石墨的纳米胺化结构

Mxene薄片的附着力和摩擦值与压力成正比,同温度成反比,这是由于在特定环境下的氧化速率会改变其结构进而影响摩擦性能(图2g-l)。Mxene在阻尼稳定性测试中可以达到五万次,且通过DFT模拟发现,Mxene可以通过层间键的相互作用、层间压缩和滑移/剪切等耗散能量的方式降低外载荷的影响。以Ti3C2(OH)2颗粒作为固体润滑添加剂,可以有效减少两个摩擦表面之间的摩擦和磨损。通过液相反应将TiO2涂覆在Mxene表面制备的TiO2-Ti3C2Tx纳米复合材料,并将其加入基础油中,可以提高其摩擦学和抗摩擦性能(图3a-f)。当加载载荷为20 N,转速为150 rpm时,含1.0wt% TiO2-Ti3C2Tx的杂化纳米复合材料的摩擦学性能最好,摩擦系数最低;当浓度为1.0wt%时,在接触区域形成均匀的屏蔽摩擦膜,降低剪切应力,使滑动条件平滑;相反,当浓度过高时,严重的纳米颗粒团聚以及固体润滑颗粒不易进入接触区会导致摩擦系数变高,且不同的基础油也会对复合材料摩擦性能产生影响(图3表)。

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3.  MAX基复合材料

近年来,MAX相被用于开发新型复合材料。Max相作为一种金属陶瓷材料具有高热稳定性和抗氧化性的特性,并可作为增强剂改善内部相分布和表面性质。

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以Ti3AlC2和SnO2为原材料,采用无压烧结的方法可以制备出Ti3(al, Sn)C2/Al2O3复合材料(图4e),复合材料内氧化铝的原位形成和固溶强化作用能够提高整体力学性能其摩擦膜的产生主要归因于摩擦氧化反应(图4a-d)。通过等离子烧结方法制备原位MAX(Ti3SiC2-TiSi2-TiC)基纳米复合材料,其硬度(7.8 GPa)比单片Ti3SiC2的理论值(4GPa)高了95%,这是由于在熔融状态下的析出物(Ti3AlC2→γ-Ni3(Al,Ti))对晶粒生长和位错运动具有很高的阻力并会通过裂纹桥接和裂纹挠度机制强化材料的力学和抗摩擦性能,而摩擦学改善的主要原因是TiC相可以屏蔽Ti3SiC2相,在磨损过程中起到承重作用以及在TiC-Ti3SiC2界面处起到增强剂的作用。

4. Mxene/聚合物复合材料

Mxene/聚合物复合材料具有极好的硬度、抗蠕变和抗摩擦性能(图3a-b)。这是由于Mxene具有与多种聚合物复合的巨大潜力,其丰富的化学性质可以显著影响球晶的生长以及聚合物材料的结晶行为,其高长径比和羟基提供了氢键相互作用,且亲水性使各种材料具有优异的润湿性,这有助于Mxene膜在不同的液体中分散。而且Mxene还可用于改善增强剂(颗粒、纤维)与基体之间的界面相互作用,提高纤维的力学、热、抗UV和水热老化性能(图3c-e)。

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小结:

这篇文章总结了近年来金属、陶瓷、聚合物基Mxene纳米复合材料在力学、摩擦学的研究进展。作为纳米技术领域迅速发展的方向之一,Mxene纳米复合材料在增强力学性能、抗摩擦等领域具有非常光明的前景,但内在机理的研究仍需要在微观、宏观的不同层面、理论计算和实验研究中进一步的探索。

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