mxene 《AM》综述： MXene被低估的应用领域

2022-01-01 03:51

说到mcene，相信大部分研究人员想到的都是它优异的电学性能，却忽略了它优越的机械和摩擦性能。如果综合考虑上述性能，对提高传感材料的可靠性、减少磨损和能耗、延长材料的使用寿命具有重要意义。

Mxene是一种具有优异力学、热学和摩擦学性能的二维纳米材料，广泛应用于从癌症治疗到能源和环境应用的各个关键研究领域。其特殊的力学性能，如优异的机械和热稳定性以及丰富的表面性质，特别是Mxene的端基对聚合物具有很强的亲和力，使其在合成先进复合材料方面具有巨大的潜力。目前，研究人员对Mxene的电学、热学、光学、电磁、传感等特性做了大量的研究工作，但对其力学行为还没有深入研究，至今仍有许多未解之谜。

Rajender Varma教授在AM上发表了题为“Mxene增强纳米复合材料的机械-摩擦学方面”的综述，总结了Mxene纳米粒子的合成方法，并比较了Mxene和Mxene复合材料的力学性能和摩擦学性能。最后，指出了当前Mxene研究的缺陷和挑战以及未来研究的路线图。

1.mxene的力学性能及其复合材料的制备

制备Mxene复合材料的方法主要有三种:溶液共混法、原位共混法和热压法。Mxene纳米片上丰富的官能团可以分散在极性介质中，也可以与聚合物溶解形成均匀的Mxene复合浆料。良好的分散性使Mxene复合材料在颗粒基体界面处具有良好的强度，从而获得优异的力学、摩擦学、热学和电学性能。值得注意的是，Mxene在非极性聚合物或弱极性聚合物中的溶解度仍然具有挑战性，因此需要适当的表面预改性来提高分散性。

目前，研究人员利用第一性原理预测二维原始Mxene的弹性性质，利用密度泛函理论预测Mxene颗粒的力学性质。Mxene中的官能团可以有效减缓钛原子层在拉伸过程中的断裂，从而增强钛原子层的柔韧性。在双轴和单轴拉伸应力下，Mxene可以分别保持9.5%、17%和18%的应变。虽然官能团可以降低Mxene纳米片的模量，但可以显著提高断裂韧性和临界应变。随着Tin+1Cn中n的减少，功能性Mxene和原始Mxene的弹性模量有所增加。值得一提的是，加入功能化的Mxene可以提高氧化石墨烯的力学性能。

图1通过模拟计算得到不同官能团的Mxene的应力-应变曲线和杨氏模量

图2用原子力显微镜纳米压痕技术测量MXene片材的弹性

除了计算研究之外，许多研究人员还利用原子力显微镜纳米压痕测量Mxene的力学性能，利用AFM针尖测量力和位移值，对获得的数据进行曲线拟合可以得到Mxene的力和位移值之间的关系公式。值得注意的是，Mxene的弹性很大程度上取决于Tin+1Cn中“n”的个数，并随着“n”的增加而减小。考虑到上述薄弱的研究工作，仍然需要进行广泛的研究，以精确测量机械性能，并发现和优化复合材料结构中的表面缺陷、纳米缺陷或微观结构缺陷、弱界面强度等问题。虽然制备Mxene材料的实验方法很多，但几乎所有的力学测量实验都是通过上述技术完成的。目前应在原有功能性单/多层Mxene材料上开发控制更可靠、更灵活的新技术。

2.Mxene的摩擦学研究

无论是作为润滑油的添加剂，还是作为金属或聚合物基复合材料的增强剂，Mxene板材的摩擦学和力学性能都非常重要。即使加入少量的Mxene，Mxene填充液的减摩抗磨性能也能显著提高，因为Mxene片具有类似石墨的纳米胺化结构。Mxene板材的附着力和摩擦值与压力成正比，与温度成反比，因为特定环境下的氧化速率会改变其结构，进而影响其摩擦性能。已经对Mxene进行了5万次阻尼稳定性测试，通过DFT模拟发现，Mxene可以通过耗散层间键相互作用、层间压缩和滑移/剪切等能量来降低外部载荷的影响。采用Ti3C22颗粒作为固体润滑添加剂，可以有效降低两个摩擦表面之间的摩擦磨损。通过液相反应在Mxene表面包覆二氧化钛，并将其添加到基础油中，制备的二氧化钛-Ti3C2Tx纳米复合材料的摩擦学和减摩性能得到改善。当载荷为20 N，转速为150 rpm时，含1.0wt% TiO2-Ti3C2Tx的杂化纳米复合材料的摩擦学性能最好，摩擦系数最低。当浓度为1.0重量%时，在接触区域形成均匀的屏蔽摩擦膜，减小了剪切应力，使滑动条件变得平滑；相反，当浓度过高时，纳米颗粒的严重团聚和固体润滑颗粒进入接触区的困难会导致较高的摩擦系数，不同的基础油也会影响复合材料的摩擦性能。

图3不同压力和温度条件下ti3c2和TiO2-Ti3C2Tx纳米复合材料的摩擦和粘附以及Mxene与基础油之间的摩擦系数

3.MAX基复合材料

近年来，MAX相被用于开发新型复合材料。Max相作为一种金属陶瓷材料，具有较高的热稳定性和抗氧化性，可作为增强剂改善内部相分布和表面性能。

图4 ti3c 2/al2o 3复合材料的XRD图谱、力学和摩擦性能图

以Ti3AlC2和SnO2为原料，采用无压烧结法制备Ti3C2/Al2O3复合材料。氧化铝在复合材料中的原位形成和固溶强化可以提高复合材料的整体力学性能。摩擦膜主要是由于摩擦氧化反应。等离子烧结法制备的原位MAX基纳米复合材料的硬度比整体Ti3SiC2的理论值高95%，这是由于熔融状态下的析出物对晶粒生长和位错运动具有很高的抵抗力，材料的力学和减摩性能将通过裂纹桥联和裂纹偏转机制得到增强。摩擦学性能提高的主要原因是TiC相可以屏蔽Ti3SiC2相，Ti3SiC2相在磨损过程中起承载作用，在TiC-Ti3SiC2界面起增强剂的作用。

4.Mxene/聚合物复合材料

Mxene/聚合物复合材料具有优异的硬度、抗蠕变性和抗摩擦性。原因是Mxene与各种聚合物复合的潜力巨大，其丰富的化学性质可以显著影响球晶的生长和聚合物材料的结晶行为。其高纵横比和羟基提供氢键相互作用，其亲水性使各种材料具有优异的润湿性，有助于Mxene薄膜在不同液体中分散。此外，Mxene还可用于改善增强剂与基体的界面相互作用，提高纤维的机械、热、抗紫外和水热老化性能。