《AM》綜述: MXene被低估的應用領域——潤滑

提到邁克烯（Mxene），相信大多數科研人員想起的是其優秀的電學性能（電子傳輸能量勢壘低、豐富的離子擴散通路、豐富的活性位點），卻忽略了其優越的力學和摩擦性能，若能兼顧以上性能，對於提高傳感材料可靠性、降低磨損和能耗、延長材料使用壽命具有十分重要的意義。

Mxene是一種具有優良機械、熱和摩擦學性能的二維納米材料，被廣泛應用於各種關鍵研究領域，從癌症治療到能源和環境應用。其特殊的力學性質，如優良的機械和熱穩定性能和豐富的表面性能等，特別是Mxene的末端基團對聚合物具有很強的親和力，使其具有合成先進複合材料的巨大潛力。當前，研究人員對Mxene的電學、熱學、光學、電磁學、傳感和其他特性方面展開了大量的研究工作，但其力學行為尚未進行深入的研究，至今仍有許多問題沒有得到解答。

Rajender Varma教授在《AM》上發表題為「Mechanotribological Aspects of MXene-Reinforced Nanocomposites」的綜述，總結了Mxene納米粒子合成方法，並對Mxene和Mxene複合材料力學性能和摩擦學性能進行比較，最後指出當前Mxene研究的缺陷、挑戰和未來研究的路線圖。

1. Mxene力學性能及其複合材料製備

製備Mxene複合材料主要有三種方法： 溶液共混法（Solution Mixing）、原位混聚法（In Situ Polymerization Blending）、熱壓法（Hot Press）。Mxene納米片上豐富的官能團使其可以分散在極性介質中，也可以和聚合物互溶生成均勻的Mxene複合漿料，良好的分散性使得Mxene複合材料在粒子基體界面中具有良好的強度，從而產生優異的機械、摩擦學、熱學和電學性能。值得注意的是，Mxene在非極性聚合物或弱極性聚合物中的溶解度仍然具有挑戰性，因此需要採用適當的表面預修飾來提高分散性。

當前研究人員採用第一性原理預測二維原始Mxene彈性特性並採用密度泛函理論(DFT)預測Mxene粒子的力學性能。拉伸過程中Mxene內官能團（-O2）可以有效地減緩鈦原子層的斷裂，從而增強了鈦原子層的柔韌性，Mxene在雙軸和單軸拉應力作用下，分別能維持9.5%、17%和18%的應變 (圖1a-b)。雖然官能團會降低了Mxene納米片的模量，但顯著提高了斷裂韌性和臨界應變(圖1c-d);隨著Tin+1Cn中n的減小，功能化Mxene和原始Mxene的彈性模量都有一定程度的增加(圖1e-f)。值得一提的是，通過添加功能化的Mxene可以提高石墨烯氧化物的機械性能。

圖1 通過模擬計算得到含有不同官能團的Mxene應力應變曲線及楊氏模量

圖2 利用AFM納米壓痕技術測量MXene薄片彈性

除了計算研究外，許多研究人員使用原子力顯微鏡(AFM)納米壓痕測量Mxene力學性能並用AFM刀尖用於測量力位移值，將獲得的數據進行曲線擬合，可以得到Mxene受力與位移值關係公式（圖2a-f）。值得注意的是，Mxene的彈性很大程度上取決於Tin+1Cn中的「n」的數量，隨著「n」的增加而減少。考慮到上述薄弱的研究工作，當前仍需廣泛的研究，才能精確測量力學性，且複合材料結構中存在的表面缺陷、納米缺陷或微觀結構缺陷、界面強度不強等問題應當被發現並優化。儘管Mxene材料的製備有很多種實驗方法，幾乎所有的力學測量實驗都是通過以上技術完成的，當前應該在原始功能化的單/多層Mxene材料上發展更加可靠以及靈活控制的新技術。

2. Mxene摩擦學研究

Mxene片的摩擦學和力學性能是至關重要的，無論是作為潤滑油的添加劑，還是作為金屬或聚合物基複合材料的增強劑。即使是添加少量Mxene，也能顯著提高Mxene填充液的減摩抗磨性能，這是由於Mxene片具有類似石墨的納米胺化結構。Mxene薄片的附著力和摩擦值與壓力成正比，同溫度成反比，這是由於在特定環境下的氧化速率會改變其結構進而影響摩擦性能(圖2g-l)。Mxene在阻尼穩定性測試中可以達到五萬次，且通過DFT模擬發現，Mxene可以通過層間鍵的相互作用、層間壓縮和滑移/剪切等耗散能量的方式降低外載荷的影響。以Ti3C2(OH)2顆粒作為固體潤滑添加劑，可以有效減少兩個摩擦表面之間的摩擦和磨損。通過液相反應將TiO2塗覆在Mxene表面製備的TiO2-Ti3C2Tx納米複合材料，並將其加入基礎油中，可以提高其摩擦學和抗摩擦性能（圖3a-f）。當加載載荷為20 N，轉速為150 rpm時，含1.0wt% TiO2-Ti3C2Tx的雜化納米複合材料的摩擦學性能最好，摩擦係數最低；當濃度為1.0wt%時，在接觸區域形成均勻的屏蔽摩擦膜，降低剪切應力，使滑動條件平滑；相反，當濃度過高時，嚴重的納米顆粒團聚以及固體潤滑顆粒不易進入接觸區會導致摩擦係數變高，且不同的基礎油也會對複合材料摩擦性能產生影響（圖3表）。

圖3 Ti3C2和TiO2-Ti3C2Tx納米複合材料在不同壓力和溫度條件下的摩擦和粘附力和Mxene與基礎油摩擦係數表

3. MAX基複合材料

近年來，MAX相被用於開發新型複合材料。Max相作為一種金屬陶瓷材料具有高熱穩定性和抗氧化性的特性，並可作為增強劑改善內部相分布和表面性質。

圖4 Ti3(Al, Sn)C2/Al2O3複合材料XRD圖譜與力學、摩擦性能圖

以Ti3AlC2和SnO2為原材料，採用無壓燒結的方法可以製備出Ti3(al, Sn)C2/Al2O3複合材料(圖4e)，複合材料內氧化鋁的原位形成和固溶強化作用能夠提高整體力學性能其摩擦膜的產生主要歸因於摩擦氧化反應（圖4a-d）。通過等離子燒結方法製備原位MAX（Ti3SiC2-TiSi2-TiC）基納米複合材料，其硬度（7.8 GPa）比單片Ti3SiC2的理論值（4GPa）高了95%，這是由於在熔融狀態下的析出物（Ti3AlC2γ-Ni3（Al，Ti））對晶粒生長和位錯運動具有很高的阻力並會通過裂紋橋接和裂紋撓度機制強化材料的力學和抗摩擦性能，而摩擦學改善的主要原因是TiC相可以屏蔽Ti3SiC2相，在磨損過程中起到承重作用以及在TiC-Ti3SiC2界面處起到增強劑的作用。

4. Mxene/聚合物複合材料

Mxene/聚合物複合材料具有極好的硬度、抗蠕變和抗摩擦性能(圖3a-b)。這是由於Mxene具有與多種聚合物複合的巨大潛力，其豐富的化學性質可以顯著影響球晶的生長以及聚合物材料的結晶行為，其高長徑比和羥基提供了氫鍵相互作用，且親水性使各種材料具有優異的潤溼性，這有助於Mxene膜在不同的液體中分散。而且Mxene還可用於改善增強劑(顆粒、纖維)與基體之間的界面相互作用，提高纖維的力學、熱、抗UV和水熱老化性能(圖3c-e)。

圖3 不同質量分數下Ti3C2增強聚合物納米複合材料的硬度和抗蠕變性能及紫外光處理下複合材料的相貌及拉伸強度保持率

小結：

這篇文章總結了近年來金屬、陶瓷、聚合物基Mxene納米複合材料在力學、摩擦學的研究進展。作為納米技術領域迅速發展的方向之一，Mxene納米複合材料在增強力學性能、抗摩擦等領域具有非常光明的前景，但內在機理的研究仍需要在微觀、宏觀的不同層面、理論計算和實驗研究中進一步的探索。

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！