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中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所MXene基材料摩擦學(xué)研究獲系列進(jìn)展
二維過(guò)渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（MXene）是繼石墨烯之后材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)中備受關(guān)注的新材料。這類(lèi)二維納米材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能和自潤(rùn)滑能力，將其用作新型潤(rùn)滑材料是當(dāng)前摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室功能潤(rùn)滑材料課題組在MXene基潤(rùn)滑材料的設(shè)計(jì)制備和摩擦學(xué)研究方面取得了系列進(jìn)展。
研究人員利用電泳沉積技術(shù)制備了表面均勻、厚度可控的Ti3C2/GO復(fù)合潤(rùn)滑涂層，通過(guò)研究Ti3C2、GO和Ti3C2/GO薄膜的形貌、微觀結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能，揭示了沉積電壓、載荷和滑動(dòng)速度對(duì)復(fù)合薄膜摩擦學(xué)性能的影響機(jī)制（圖1）。相關(guān)成果發(fā)表在Tribology International（2022, 167, 107361）上。
圖1. Ti3C2/GO復(fù)合潤(rùn)滑涂層的制備及其摩擦學(xué)性能
為進(jìn)一步提高M(jìn)Xene/GO復(fù)合薄膜的耐磨壽命，研究人員構(gòu)筑了具有“磚混結(jié)構(gòu)”的金屬離子增強(qiáng)的MXene/GO復(fù)合潤(rùn)滑涂層。采用簡(jiǎn)單的離子橋接法，將金屬離子引入MXene/GO復(fù)合薄膜中，通過(guò)金屬離子與納米材料之間的化學(xué)相互作用，顯著提高了復(fù)合薄膜的力學(xué)性能和耐磨壽命（圖2）。相關(guān)成果發(fā)表在Applied Surface Science（2023, 625, 157181）上。
圖2. 離子橋接法制備具有“磚混結(jié)構(gòu)”的MXene/GO復(fù)合涂層及其摩擦學(xué)性能
近日，研究人員提出了利用鹽析效應(yīng)構(gòu)筑固液復(fù)合潤(rùn)滑水凝膠體系的新策略（圖3）。通過(guò)將Zn2+引入MXene/PVA水凝膠，借助Zn2+的多重交聯(lián)和鹽析效應(yīng)，誘導(dǎo)水凝膠中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，將水凝膠中的固定水轉(zhuǎn)化為游離水，在摩擦過(guò)程中，游離水被釋放出來(lái)。同時(shí)，將游離水作為液相，類(lèi)固態(tài)的水凝膠作為固相，實(shí)現(xiàn)了固、液兩相在一種材料中的有效復(fù)合，更好地發(fā)揮了固液協(xié)同效應(yīng)，從而獲得了優(yōu)異的減摩抗磨效果。該研究工作以“Bioinspired multi-crosslinking and solid–liquid composite lubricating MXene/PVA hydrogel based on salting out effect”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal（2023, 476, 146848）上。
圖3. 基于鹽析效應(yīng)的MXene/PVA水凝膠及其固液復(fù)合潤(rùn)滑性能與機(jī)理示意圖
此外，該課題組還在Advanced Powder Materials上發(fā)表了題為“MXenes in tribology: Current status and perspectives”的綜述文章（2023, 2, 100092）。該文章從固體潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑添加劑和相增強(qiáng)材料三個(gè)方面介紹了MXene基材料的摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀，總結(jié)了影響MXenes摩擦學(xué)性能的多種因素及其潤(rùn)滑機(jī)理，對(duì)MXene摩擦學(xué)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
蘭州化物所博士研究生苗曉南為論文第一作者，李章朋特聘青年研究員和王金清研究員為共同通訊作者。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃和蘭州化物所特聘青年研究員人才等項(xiàng)目的支持。
來(lái)源：固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
