Superior Wear-Resistance of Ti3C2Tx Multilayer Coatings

材料科学 摩擦学 MXenes公司 润滑 纳米晶材料 无定形固体 复合材料 纳米材料 纳米核糖学 剪切(地质) 耐磨性 纳米技术 冶金 有机化学 化学
作者
Philipp G. Grützmacher,Sebastián Súarez,Aura Tolosa,Carsten Gachot,Gongsheng Song,Bo Wang,Volker Presser,Frank Mücklich,Babak Anasori,Andreas Rosenkranz
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (5): 8216-8224 被引量:108
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c01555
摘要

Owing to MXenes' tunable mechanical properties induced by their structural and chemical diversity, MXenes are believed to compete with state-of-the-art 2D nanomaterials such as graphene regarding their tribological performance. Their nanolaminate structure offers weak interlayer interactions and an easy-to-shear ability to render them excellent candidates for solid lubrication. However, the acting friction and wear mechanisms are yet to be explored. To elucidate these mechanisms, 100-nm-thick homogeneous multilayer Ti3C2Tx coatings are deposited on technologically relevant stainless steel by electrospraying. Using ball-on-disk tribometry (Si3N4 counterbody) with acting contact pressures of about 300 MPa, their long-term friction and wear performance under dry conditions are studied. MXene-coated specimens demonstrate a 6-fold friction reduction and an ultralow wear rate (4 × 10-9 mm3 N-1 m-1) over 100 000 sliding cycles, outperforming state-of-the-art 2D nanomaterials by at least 200% regarding their wear life. High-resolution characterization verified the formation of a beneficial tribolayer consisting of thermally/mechanically degraded MXenes and amorphous/nanocrystalline iron oxides. The transfer of this tribolayer to the counterbody transforms the initial steel/Si3N4 contact to tribolayer/tribolayer contact with low shear resistance. MXene pileups at the wear track's reversal points continuously supply the tribological contact with fresh, lubricious nanosheets, thus enabling an ultra-wear-resistant and low-friction performance.
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