[論文レビュー] Solid-Lubrication Performance of Ti3C2Tx -- Effect of Tribo-Chemistry and Exfoliation

Andreas Rosenkranz, Bo Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2023

MXene and MAX Phase Materials参考文献 44被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、摩擦化学プロセスとMXeneの剥離がTi3C2Txコーティングの固体潤滑性能に与える影響を調べ、薄い多層MXeneと剥離した少層MXeneを、荷重と周波数を変えて比較する。

ABSTRACT

Multi-layer Ti3C2Tx coatings have demonstrated an outstanding wear performance with excellent durability due to beneficial tribo-layers formed. However, the involved formation processes dependent on the tribological conditions and coating thickness are yet to be fully explored. Therefore, we spray-coated Ti3C2Tx multi-layer particles onto stainless steel substrates to create coatings with two different thicknesses and tested their solid lubrication performance with different normal loads (100 and 200 mN) and sliding frequencies (1 and 2.4 Hz) using linear-reciprocating ball-on-disk tribometry. We demonstrate that MXenes' tribological performance depends on their initial state (delaminated few-layer vs. multi-layer particles), coating thickness, applied load and sliding frequency. Specifically, the best behavior is observed for thinner multi-layer coatings tested at the lower frequency. In contrast, coatings made of delaminated few-layer MXene are not as effective as their multi-layer counterparts. Our high-resolution interface characterization by transmission electron microscopy revealed unambiguous differences regarding the uniformity and chemistry of the formed tribo-layers as well as the degree of tribo-induced MXenes' exfoliation. Atomistic insights into the exfoliation process and molecular dynamic simulations quantitatively backed up our experimental results regarding coating thickness and velocity dependency. This ultimately demonstrates that MXenes' tribological performance is governed by the underlying tribo-chemistry and their exfoliation ability during rubbing.

研究の動機と目的

• 初期の MXene 状態（剥離した少層 vs 多層）が摩擦特性に与える影響を理解する。
• 異なる荷重とすべり周波数下で、コーティング厚さが耐摩耗性と潤滑性に与える影響を検討する。
• コーティングと相対表面界面における摩擦化学プロセスと剥離ダイナミクスを明らかにする。

提案手法

• Ti3C2Tx多層粒子をスプレーコーティングし、2つの厚さのコーティングを作成する。
• 100 mNおよび200 mNの荷重、1 Hzおよび2.4 Hzの周波数で、リニア往復ボール・オン・ディスクトライボメトリを実施する。
• 高分解能透過電子顕微鏡(TEM)を用いて界面のトリボ層を特性化する。
• 原子レベルの洞察と分子動力学シミュレーションを用いて、剥離と性能への影響を理解する。
• 実験結果とシミュレーションを関連付け、性能を摩擦化学と剥離能力に帰属させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期のMXene状態（剥離した少層 vs 多層）は、固体潤滑性能にどのような影響を与えるか？
• RQ2 異なる荷重とすべり周波数の下で、コーティング厚さが摩擦学的結果に与える影響は何か？
• RQ3 界面でどのような摩擦化学プロセスが発生し、摩擦時のMXene剥離が性能にどう影響するか？
• RQ4 原子レベルのシミュレーションは、観察された厚さ依存および速度依存の剥離とトリボ層形成を再現できるか？

主な発見

• 薄い多層コーティングは低周波数で最も優れた潤滑挙動を示す。
• 剥離した少層MXeneコーティングは、試験条件下で多層の対になるより効果的でない。
• 高分解能TEMは、初期MXene状態と摩擦条件に依存して、トリボ層の均一性と化学組成の差を示す。
• 摩擦時の剥離はトリボ層形成に寄与し、コーティング厚さと滑走速度によって支配される。
• 分子動力学と原子レベルの洞察は、厚さ・速度・剥離に関する実験的傾向を定量的に支持する。
• 全体として、MXenesの摩擦学的性能は、摩擦化学と摩擦中の剥離能力によって支配される。