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Fracture Mechanisms and Crack Propagation in Monolayer Ti3C2Tx under Nanoindentation: The Influence of Surface Terminations and Vacancy Defects

MXenes公司 材料科学 纳米压痕 空位缺陷 脆性 复合材料 单层 断裂韧性 断裂力学 纳米技术 结晶学 化学
作者
Shenda Jiang,Lin Yang,Xiaoliang Ma,Hongchi Zhang,Shuai Guo,Hongzhao Ren,Weilong Yin,Xiaodong He
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (36): 48113-48125 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.4c10022
摘要

Monolayer MXenes are a novel class of two-dimensional transition metal carbides/nitrides with fascinating physicochemical properties. Despite recent advances in the study of MXenes' mechanical properties, a comprehensive understanding of the fundamental physical mechanisms that affect fracture due to surface terminations and vacancy defects in MXenes under nanoindentation remains largely unexplored. Here, we address this gap using molecular dynamics simulations and nanoindentation theory to investigate the effects of surface terminations and vacancy defects on the fracture behavior of Ti3C2Tx MXenes. By inducing the rupture of monolayer MXenes through nanoindentation, we find that bare Ti3C2 exhibits brittle fracture behavior. The presence of surface terminations and vacancy defects reduces the load-carrying capacity and flexibility of MXenes. Interestingly, surface terminations increase the stiffness of the structure, while vacancy defects have the opposite effect. We also find that high concentrations of surface oxidation impart ductile fracture characteristics to MXenes and increase the maximum crack length at failure. Additionally, defects exceeding the critical concentration can effectively prevent brittle crack propagation by causing frequent crack deflection and blunting crack tips. Combining these findings, we propose a new strategy to synergistically enhance the fracture toughness of MXenes through high concentrations of surface oxidation and vacancy defects exceeding the critical concentration without significantly affecting strength and stiffness, thereby avoiding catastrophic failure in MXene monolayers due to brittle fracture. This work provides fundamental insights into the mechanical properties and fracture mechanisms of monolayer MXenes.
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