成都理工嚴(yán)涵課題組：一種智能Ti?C?Tx MXene基環(huán)氧涂層的摩擦學(xué)性能——提供一種解決傳統(tǒng)智能涂層弱的摩擦學(xué)性能的思路。
2024-12-30 11:51:57
作者：高分子科學(xué)前沿 來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
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雖然自預(yù)警/自修復(fù)智能涂層在材料保護(hù)領(lǐng)域取得了進(jìn)展，但其在有摩擦作用的惡劣環(huán)境中的應(yīng)用仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在腐蝕環(huán)境中，這些智能涂層通過(guò)刺激涂層-金屬界面的納米容器釋放顯色劑和緩蝕劑來(lái)提供主動(dòng)保護(hù)。然而，一旦涂層受到外界摩擦作用，如劃傷、撞擊等，腐蝕介質(zhì)就會(huì)迅速擴(kuò)散，損傷部位成為快速擴(kuò)散通道。腐蝕電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，智能分子提前釋放。最終，智能涂層無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的全生命周期防護(hù)。鑒于智能涂層良好的摩擦學(xué)性能對(duì)其實(shí)際應(yīng)用的重要性，近期，成都理工大學(xué)嚴(yán)涵研究員課題組研制了一種新型的智能涂層，創(chuàng)造性地將介孔二氧化硅納米容器負(fù)載于Ti3C2Tx MXene表面，并將其作為填料賦予了涂層多功能防護(hù)性能，解決了傳統(tǒng)智能涂層摩擦學(xué)性能弱的問(wèn)題。相關(guān)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(fā)表在摩擦學(xué)領(lǐng)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(dòng)阻隔和智能防護(hù)性能，但是如何實(shí)現(xiàn)兩者“1+1＞2”的協(xié)同效應(yīng)以獲得多功能的防護(hù)涂層還未系統(tǒng)地研究。本文通過(guò)負(fù)載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將介孔二氧化硅納米容器原位地負(fù)載于MXene納米片表面以形成合理復(fù)配。2、具有負(fù)載結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅@MXene填料在涂層中具有優(yōu)異的分散性和化學(xué)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(fù)載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增大了MXene表面的比表面積、改變了MXene表面的電荷分布，進(jìn)而提高了填料與涂層的機(jī)械聯(lián)合作用。3、本文提供了一種改善智能涂層差的摩擦學(xué)性能的思路。負(fù)載結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅@MXene填料復(fù)合涂層的磨損率為1.14 × 10-5 mm3/N·m，與純環(huán)氧涂層相比下降了78.8%；相比于介孔二氧化硅與MXene機(jī)械共混的環(huán)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(xué)機(jī)理。所制備的新型智能涂層優(yōu)異的摩擦學(xué)性能主要?dú)w功于有效的MXene基潤(rùn)滑膜、提高的抗塑性變形能力以及內(nèi)部強(qiáng)相互作用的協(xié)同效應(yīng)。
圖1. 具有負(fù)載結(jié)構(gòu)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(guò)開(kāi)爾文探針技術(shù)獲得有人工劃痕的純環(huán)氧涂層、介孔二氧化硅/MXene機(jī)械共混環(huán)氧涂層和介孔二氧化硅@MXene復(fù)合環(huán)氧涂層的腐蝕電位圖。
圖5. (a1-a3)純環(huán)氧涂層、(b1-b3)介孔二氧化硅/MXene機(jī)械共混環(huán)氧涂層和(c1-c3)介孔二氧化硅@MXene復(fù)合環(huán)氧涂層在0、698和1135 ps下的摩擦過(guò)程模擬。基于摩擦過(guò)程，得到(d)質(zhì)量密度和(e)原子位置對(duì)應(yīng)的速度分布。
嚴(yán)涵，博士，成都理工大學(xué)特聘研究員，碩士生導(dǎo)師。主要從事機(jī)械裝備表面使役行為及其防護(hù)、涂層磨蝕行為及其機(jī)理方向的研究。入選成都市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)評(píng)審專家?guī)?。主持并參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、省部級(jí)項(xiàng)目、企業(yè)橫向項(xiàng)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(fā)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(yōu)秀論文獎(jiǎng)（Excellent Article Award）1篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)，入選Elsevier 2024年“年度科學(xué)影響力榜單”。教師主頁(yè)：
https://mee.cdut.edu.cn/info/1011/2819.htm
https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.110302
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