类石墨烯MXene新型润滑材料的制备及其摩擦学行为研究

As a new kind of graphene-like 2-D nanosheet materials, MXene is expected to be applied extensively in the microelectronics, information, energy, materials and biological medicine research fields. In this study, 2-D MXene nanomaterials were synthesised using layered ternary carbides ceramic (MAX phase) materials via a chemical etching methods firstly. In order to improve the miscibility and dispersion stability of MXene in nonpolar solvent, the surface of MXene was modified with a specified surface treating agent via wet route. Finally, The tribological properties of the prepared MXene as an additive in lubricating oil were investigated. It is expected that through the research of project, the controllable preparation of graphene-like MXene nanomaterials will be realized and the microstructure, mechanism of formation and regulation will be understood and revealed. Through the research of the internal relations between material composition, microstructure and wear morphology features, physical and chemical processes, the friction and lubrication mechanism between microstructure and tribological behavior will be established. The results of the project would provide basic data and theoretical guidance for the controllable preparation and tribological application of MXene nanomaterials.

MXene是一种新型的类石墨烯2-D纳米材料，有望在微电子、信息、能源、材料和生物医药等领域获得重大应用。本研究首先通过化学刻蚀三元层状MAX相陶瓷材料的方法制得结构可控的MXene二维纳米材料，然后将其表面进行化学修饰或改性，提高其在不同溶剂中的均匀分散/溶解能力，最后开展MXene在润滑油中的摩擦学行为研究。通过本项目的研究，实现类石墨烯MXene纳米材料的可控制备，认识和揭示其超微结构、形成机理和调控机制。探究MXene材料组成、微观结构与磨损表面的形貌特征及磨损的物理、化学过程的内在关系，建立其微结构与摩擦学行为之间的摩擦润滑作用机制，为MXene材料的可控制备及在摩擦学领域中的广泛应用提供基础数据和理论指导。

MXene是一种新型的二维纳米材料，具有类似石墨层状结构的特点，具有良好的力学性能。本项目采用氢氟酸、氟盐+盐酸常温液相刻蚀以及NH4F溶液水热刻蚀的方法成功制备了MXene（Ti3C2、Ti2C、V2C）二维碳化物纳米材料，考察了刻蚀时间、温度、浓度对产物的影响。采用元素分析和XRD、XPS、TEM、SEM、Raman光谱等手段对MXene的结构、形貌和元素组成进行了分析。采用氨水、尿素、二甲基亚砜、甲酰胺等小分子，十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮及离子液体等大分子对Ti3C2进行插层改性处理，研究发现，氟盐刻蚀相比氢氟酸刻蚀的MXene具有更高的剥离度和更大的层间距，尿素、十六烷基三甲基溴化铵具有较好的效果，晶面间距变大，因此可通过插层的方法来控制层片间距和厚度。采用硬脂酰氯对Ti3C2进行了表面处理，并将其分散到液体石蜡中进行了摩擦学测试。结果表明MXene作为添加剂对减摩抗磨性能有较好的改善，但由于MXene分散稳定性较差，因此将其作为润滑脂添加剂进行了摩擦学研究，实验结果表明MXene的作为润滑脂添加剂能够较好的改善基础脂的摩擦性能。另外，将MXene作为填料和超高分子量聚乙烯进行了复合制备了聚合物基复合材料，研究表明，MXene 的加入可作为成核剂增加聚合物的成核中心，从而提高聚合物的结晶速率和结晶度，同时力学性能也得到了一定的提升。摩擦学实验表明随着MXene含量的增加，摩擦系数显著降低，磨损率也有一定的降低。