《Nature》| MXene重大突破：纳米复合材料用于减少粗糙钢表面的摩擦和磨损

已传文件：photo/1690795426.jpeg 17093621172.php

摘要 Abstract

固体润滑剂材料的发展在环境条件下提供可靠的性能，适用于工业规模和设计复杂性，并在工程表面上工作。这些涂层由ti3c2tx -氧化石墨烯混合物组成，喷涂到轴承钢表面。摩擦学评估是在环境条件和高接触压力的球盘实验装置中进行的。评估结果表明，与未涂覆的单组分表面相比，使用ti3c2tx -石墨烯氧化物涂层可将摩擦显著降低至0.065(在1 GPa接触压力和100 mm/s下)，超过了目前的水平。该涂层还提供了出色的保护，防止基板和对端面的磨损。基于拉曼光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和纳米压痕测量的观察结果对结果进行了解释。在致密、坚硬、饱和的悬键摩擦层中，即使在高测试载荷和高滑动速度下，也能保持润滑。

创新点

1. 利用喷涂法成功在钢基体上沉积了MXene和氧化石墨烯的混合涂料,这种简单的合成方法有望实现工业规模生产。

2. 在常规大气条件下实现了非常低的摩擦系数(0.065),明显优于现有固体润滑涂料,突破了该领域的技术水平。

3. 深入研究了摩擦过程中的润滑机制,发现涂料在工作时形成了一层具有高硬度和饱和端基的润滑膜,这可解释涂料的持久润滑性能。

4. 综合采用多种表征手段(拉曼、SEM、TEM等),系统研究了涂料的结构、化学、物理和机械性质之间的关系,揭示了工程润滑膜的形成机制。

5. 提出了固体润滑剂设计的新思路,即通过在工作过程中形成润滑膜来达到持久润滑的目的,为材料设计提供了新策略。

6. 在复杂气候条件下实现出色的润滑性能,使该固体润滑技术更具实际应用价值。

图文参考 Graphic reference

图1. (a)在预热的钢基板上合成和喷涂润滑剂的示意图。(b)扫描电子显微图显示原始MXenes的形态(c)使用光学剖面仪通过在基板上切割一个台阶来测量涂层厚度。(d)氧化石墨烯和(e) MXene的透射电子显微照片

图2. (a)销盘试验示意图(b)COF与滑动距离不同获得的摩擦值(c)三种试验条件下的平均稳态摩擦值(d)对脂肪基板的磨损率。

图3. (a)扫描电子显微图(b)表面轮廓和白光干涉扫描的三维等距重建(c)原始涂层的圆盘表面变暗，滑动路径变亮(d)正常载荷下滑动导致凹陷的涂层表面轮廓。

图4. 拉曼光谱图显示多点扫描数据和(a) 1 N测试(b) 20 N测试的平均值，(c) GO与MXene特征峰的表面图和比率(D)扫描开尔文探针图显示了样品上的粘性变化。

图5. (a)摩擦层样品的透射电子显微图(b)磨损轨迹中测量的涂层材料的硬度和模块。

图6. 图示由石墨碳与MXene键合而成的致密、硬化和坚硬的摩擦层的形成。

总结 Conclusions

本文主要研究了一种新型MXene/氧化石墨烯纳米复合涂料,用于减小粗糙钢表面的摩擦和磨损。观察到涂层具有优异的耐磨性，在基板上有电阻，并且在面球上没有可检测到的磨损损失。与在接触压力超过1gpa的环境温度和湿度条件下测试的最先进材料相比，摩擦值显着显著降低。这种行为是基于白光干涉测量、扫描和透射电子显微镜、拉曼光谱(点和面测绘)和纳米压痕测量的观察来解释的，因为形成了由MXene和MXene组成的坚固的摩擦层。石墨碳是由氧化石墨烯压实转化而成的，它阻止了金属对金属的接触。摩擦层具有较高的硬度、刚度和表面钝化性能润滑行为。这种简单的涂层合成的成功，提高了固体的技术成熟度，可用于复杂和实际应用的润滑剂。