摘要
据报道，固体润滑材料的开发可以在环境条件下提供可靠的性能，适合工业规模和设计复杂性，并且可以在工程表面上发挥作用。这些涂层由 Ti3C2TX-氧化石墨烯混合物组成，喷涂在轴承钢表面上。摩擦学评估是在周围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，与未涂覆的单组分涂层表面相比，使用 Ti3C2TX-石墨烯-氧化物涂层可将摩擦力大幅降低至 0.065（在 1 GPa 接触压力和 100 mm/s 下），超过了国家规定 最先进的。该涂层还提供了出色的保护，防止基材和配合面的磨损。根据拉曼光谱、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解释了结果。在操作过程中，观察到致密、坚硬和刚性的悬空键饱和摩擦层的形成是即使在高测试负载和滑动速度下也能保持润滑性的原因。本报告介绍了与固体润滑科学进步相关的结构-性能-加工的整体探索和关联。
创新点
1. 设计了一种Ti3C2Tx-石墨烯氧化物混合材料,通过喷涂的方法涂覆在轴承钢表面。
2. 在恶劣的环境条件(室温、高湿)和高接触压力下,该涂层大大降低了摩擦系数,达到0.065(在1 GPa接触压力和100 mm/s时),超过目前最先进的材料。
3. 该涂层也提供了对基体和对面材料优异的抗磨损保护。
4. 通过拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜和纳米压痕测试等表征,发现涂层中原位形成了致密、硬度高、刚性大的悬挂键饱和的碳化层,是涂层持续提供润滑性的原因。
5. 该研究全面探究了材料的结构-性能-工艺关系,对推进固体润滑科学具有重要意义。
6. 该简单且可扩展的涂层合成方法,提高了固体润滑剂材料在复杂实际应用中的技术可行性。
7. MXene与石墨烯氧化物的协同作用导致润滑性大幅提高,揭示了一种新的机制,为固体润滑材料的研发提供了新的设计策略和理解。
图文参考
图1. (a) 示意图显示润滑剂的合成和喷雾沉积到预热的钢基材上。(b) 扫描电子显微照片显示原始 MXene 的形态，插图显示高放大倍率图像，清楚地显示手风琴状多层结构 (c) 使用光学轮廓仪通过在基材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。根据图像计算得出，氧化石墨烯的 Te 晶格参数为 2.9 Å，MXene 的晶格参数为 8.2 Å
图2. (a) 销盘测试示意图，显示单向滑动测试设置 (b) COF 与滑动距离图，显示在 1、10 和 20 N 滑动 30 m 时获得的摩擦值 (c) 直方图，显示平均稳定值 -说明三种测试条件下的摩擦值(d)脂肪基底上的磨损率。
图3. (a) 在 20 N 的压力下相对于涂层脂肪盘滑动 30 m 后相对表面的扫描电子显微照片 (b) 相对表面的白光干涉扫描的表面轮廓和三维等距重建 (c) 脂肪盘的表面 原始涂层显得较暗，而滑动路径显得较亮 (d) 涂层的表面轮廓，在正常负载下滑动时会产生凹陷。
图4. 拉曼光谱图显示多点扫描数据以及 (a) 1 N 测试、(b) 20 N 测试、(c) 表面图以及 GO 与 MXene 特征峰的比率的平均值。Te 点和面积光谱表明接触区域的强度，在低负载下，中心有少量氧化石墨烯，边缘有 MXene。该趋势在 20 N 测试条件下增强。在石墨烯氧化物光谱中，低负载时 G 峰和 D 峰的出现率相同，而 D 峰则发出显着的信号强度 (d) 扫描开尔文探针图显示了粘滞变化，并且一组显示了样本。
图5. (a) 从摩擦层中取出的样品的透射电子显微照片，显示 MXene 相（用黄线突出显示）和石墨相（用红线突出显示） (b) 的硬度和模量在磨损轨迹中测量涂层材料。
图6. 显示由石墨组成的压实、硬化和刚性摩擦层形成的示意图碳与 MXene 结合。
总结
本研究设计合成了Ti3C2Tx MXene和石墨烯氧化物的复合涂层材料,并通过喷涂方法涂布在轴承钢基体上。测试结果表明,在恶劣环境(室温、高湿度)和高接触压力条件下,该涂层表现出远超当前先进材料的超低摩擦系数(0.065)和抗磨损性能。研究还系统地利用拉曼光谱、SEM、TEM和纳米压痕等手段对涂层进行了表征,发现涂层中原位形成的致密碳化层是持续提供润滑性的关键所在。这种简单的涂层制备方法实现了固体润滑剂在复杂工程应用中的可靠性。本研究不仅从实验上证明了材料的优异摩擦学性能,更重要的是揭示了MXene和石墨烯氧化物协同作用的机制,为材料设计提供了新的思路。展望未来,该策略有望拓展到其他工作环境,并结合模型预测实现材料性能的优化设计。本研究对推动固体润滑剂材料的研发以及相关基础科学具有重要意义。
* 参考文献：https://doi.org/10.1002/adma.202308429
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