成都理工严涵课题组：一种智能Ti₃C₂Tx MXene基环氧涂层的摩擦学性能——提供一种解决传统智能涂层弱的摩擦学性能的思路。

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-30 07:50

正文

虽然自预警/自修复智能涂层在材料保护领域取得了进展，但其在有摩擦作用的恶劣环境中的应用仍面临严峻挑战。在腐蚀环境中，这些智能涂层通过刺激涂层-金属界面的纳米容器释放显色剂和缓蚀剂来提供主动保护。然而，一旦涂层受到外界摩擦作用，如划伤、撞击等，腐蚀介质就会迅速扩散，损伤部位成为快速扩散通道。腐蚀电化学反应发生，智能分子提前释放。最终，智能涂层无法实现有效的全生命周期防护。鉴于智能涂层良好的摩擦学性能对其实际应用的重要性，近期，成都理工大学严涵研究员课题组研制了一种新型的智能涂层，创造性地将介孔二氧化硅纳米容器负载于Ti₃C₂T_x MXene表面，并将其作为填料赋予了涂层多功能防护性能，解决了传统智能涂层摩擦学性能弱的问题。相关成果以“Tribological properties of a smart Ti₃C₂T_x-based epoxy coating: providing an idea to solve the weak tribological properties of traditional smart coatings”为题发表在摩擦学领域顶刊《Tribology International》（Tribology International 202 (2025) 110302）。

论文创新点

1、Ti₃C₂T_x MXene纳米片和介孔二氧化硅纳米容器分别能够赋予涂层被动阻隔和智能防护性能，但是如何实现两者“1+1＞2”的协同效应以获得多功能的防护涂层还未系统地研究。本文通过负载结构设计，将介孔二氧化硅纳米容器原位地负载于MXene纳米片表面以形成合理复配。

2、具有负载结构的介孔二氧化硅@MXene填料在涂层中具有优异的分散性和化学兼容性。一方面，氨基功能化改性提高了介孔二氧化硅@MXene填料与涂层的界面相互作用；另一方面，负载结构设计增大了MXene表面的比表面积、改变了MXene表面的电荷分布，进而提高了填料与涂层的机械联合作用。

3、本文提供了一种改善智能涂层差的摩擦学性能的思路。负载结构的介孔二氧化硅@MXene填料复合涂层的磨损率为1.14 × 10^-5 mm³/N·m，与纯环氧涂层相比下降了78.8%；相比于介孔二氧化硅与MXene机械共混的环氧涂层，其磨损率下降了58.3%。

4、本文从微纳尺度和表面-界面角度分析涂层的摩擦学机理。所制备的新型智能涂层优异的摩擦学性能主要归功于有效的MXene基润滑膜、提高的抗塑性变形能力以及内部强相互作用的协同效应。

图1. 具有负载结构的介孔二氧化硅@MXene填料制备流程图

图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

图3. 通过开尔文探针技术获得有人工划痕的纯环氧涂层、介孔二氧化硅/MXene机械共混环氧涂层和介孔二氧化硅@MXene复合环氧涂层的腐蚀电位图。

图4. 涂层自预警性能

图5. (a₁-a₃)纯环氧涂层、(b₁-b₃)介孔二氧化硅/MXene机械共混环氧涂层和(c₁-c₃)介孔二氧化硅@MXene复合环氧涂层在0、698和1135 ps下的摩擦过程模拟。基于摩擦过程，得到(d)质量密度和(e)原子位置对应的速度分布。

图6. 所制备的涂层保护机理图。

课题组介绍

严涵，博士，成都理工大学特聘研究员，硕士生导师。主要从事机械装备表面使役行为及其防护、涂层磨蚀行为及其机理方向的研究。入选成都市科学技术协会评审专家库。主持并参与多项国家自然科学基金、省部级项目、企业横向项目等。以第一作者/通讯作者身份在Carbon、Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology、Applied Surface Science、Journal of Colloid Interface Science和Tribology International等期刊上发表SCI论文14余篇，ESI高被引SCI论文1篇，Journal of Materials Science & Technology 2022年度优秀论文奖（Excellent Article Award）1篇，授权国家发明专利4项，入选Elsevier 2024年“年度科学影响力榜单”。

教师主页：
https://mee.cdut.edu.cn/info/1011/2819.htm

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110302

来源：高分子科学前沿

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