成都理工嚴涵課題組：一種智能Ti?C?Tx MXene基環氧涂層的摩擦學性能——提供一種解決傳統智能涂層弱的摩擦學性能的思路。
2024-12-30 11:51:57
作者：高分子科學前沿 來源：高分子科學前沿
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雖然自預警/自修復智能涂層在材料保護領域取得了進展，但其在有摩擦作用的惡劣環境中的應用仍面臨嚴峻挑戰。在腐蝕環境中，這些智能涂層通過刺激涂層-金屬界面的納米容器釋放顯色劑和緩蝕劑來提供主動保護。然而，一旦涂層受到外界摩擦作用，如劃傷、撞擊等，腐蝕介質就會迅速擴散，損傷部位成為快速擴散通道。腐蝕電化學反應發生，智能分子提前釋放。最終，智能涂層無法實現有效的全生命周期防護。鑒于智能涂層良好的摩擦學性能對其實際應用的重要性，近期，成都理工大學嚴涵研究員課題組研制了一種新型的智能涂層，創造性地將介孔二氧化硅納米容器負載于Ti3C2Tx MXene表面，并將其作為填料賦予了涂層多功能防護性能，解決了傳統智能涂層摩擦學性能弱的問題。相關成果以“Tribological properties of a smart Ti3C2Tx-based epoxy coating: providing an idea to solve the weak tribological properties of traditional smart coatings”為題發表在摩擦學領域頂刊《Tribology International》（Tribology International 202 (2025) 110302）。
1、Ti3C2Tx MXene納米片和介孔二氧化硅納米容器分別能夠賦予涂層被動阻隔和智能防護性能，但是如何實現兩者“1+1＞2”的協同效應以獲得多功能的防護涂層還未系統地研究。本文通過負載結構設計，將介孔二氧化硅納米容器原位地負載于MXene納米片表面以形成合理復配。2、具有負載結構的介孔二氧化硅@MXene填料在涂層中具有優異的分散性和化學兼容性。一方面，氨基功能化改性提高了介孔二氧化硅@MXene填料與涂層的界面相互作用；另一方面，負載結構設計增大了MXene表面的比表面積、改變了MXene表面的電荷分布，進而提高了填料與涂層的機械聯合作用。3、本文提供了一種改善智能涂層差的摩擦學性能的思路。負載結構的介孔二氧化硅@MXene填料復合涂層的磨損率為1.14 × 10-5 mm3/N·m，與純環氧涂層相比下降了78.8%；相比于介孔二氧化硅與MXene機械共混的環氧涂層，其磨損率下降了58.3%。4、本文從微納尺度和表面-界面角度分析涂層的摩擦學機理。所制備的新型智能涂層優異的摩擦學性能主要歸功于有效的MXene基潤滑膜、提高的抗塑性變形能力以及內部強相互作用的協同效應。
圖1. 具有負載結構的介孔二氧化硅@MXene填料制備流程圖
圖2. (a1-a3)介孔二氧化硅、(b1-b3)MXene片以及(c1-c3)介孔二氧化硅@MXene填料
圖3. 通過開爾文探針技術獲得有人工劃痕的純環氧涂層、介孔二氧化硅/MXene機械共混環氧涂層和介孔二氧化硅@MXene復合環氧涂層的腐蝕電位圖。
圖5. (a1-a3)純環氧涂層、(b1-b3)介孔二氧化硅/MXene機械共混環氧涂層和(c1-c3)介孔二氧化硅@MXene復合環氧涂層在0、698和1135 ps下的摩擦過程模擬。基于摩擦過程，得到(d)質量密度和(e)原子位置對應的速度分布。
嚴涵，博士，成都理工大學特聘研究員，碩士生導師。主要從事機械裝備表面使役行為及其防護、涂層磨蝕行為及其機理方向的研究。入選成都市科學技術協會評審專家庫。主持并參與多項國家自然科學基金、省部級項目、企業橫向項目等。以第一作者/通訊作者身份在Carbon、Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology、Applied Surface Science、Journal of Colloid Interface Science和Tribology International等期刊上發表SCI論文14余篇，ESI高被引SCI論文1篇，Journal of Materials Science & Technology 2022年度優秀論文獎（Excellent Article Award）1篇，授權國家發明專利4項，入選Elsevier 2024年“年度科學影響力榜單”。教師主頁：
https://mee.cdut.edu.cn/info/1011/2819.htm
https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110302
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