[논문 리뷰] Solid-Lubrication Performance of Ti3C2Tx -- Effect of Tribo-Chemistry and Exfoliation

Andreas Rosenkranz, Bo Wang외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 05.

MXene and MAX Phase Materials참고 문헌 44인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 트리보-화학적 프로세스와 MXene의 박리(층상 분리)가 Ti3C2Tx 코팅의 고체 윤활 성능에 미치는 영향을 조사하고, 서로 얇은 다층과 박리된 소층 MXenes를 다양한 하중과 주파수에서 비교한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 MXene 상태(박리된 소층 대 다층)가 트리볼로지적 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해한다.
• 다른 하중 및 주행 주파수에서 마모 저항 및 윤활에 대한 코팅 두께의 역할을 조사한다.
• 코팅-대응대 계면에서의 트리보-화학적 프로세스와 박리 역학을 해명한다.

제안 방법

• Ti3C2Tx 다층 입자를 스프레이 코팅하여 두 두께의 코팅을 만들기 위해 스테인리스강 위에 코팅한다.
• 100 및 200 mN 하중과 1 및 2.4 Hz 주파수에서 선형 왕복 볼-디스크 트리보미터를 수행한다.
• 고해상도 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 계면의 트리보 레이어를 특성화한다.
• 원자 수준의 통찰과 분자 동역학 시뮬레이션을 활용하여 박리 현상과 그것이 성능에 미치는 영향을 이해한다.
• 실험 결과를 시뮬레이션과 연계하여 성능을 트리보-화학 및 박리 능력에 기인한다고 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 MXene 상태(박리된 소층 대 다층)가 고체 윤활 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다른 하중 및 주행 주파수에서 두께가 트리볼로지 결과에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 계면에서 어떤 트리보-화학적 프로세스가 일어나며 마찰 중 MXene의 박리가 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 원자 수준의 시뮬레이션이 관찰된 두께 의존적/속도 의존적 박리 및 트리보 레이어 형성을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 얇은 다층 코팅이 낮은 주파수에서 최상의 윤활 특성을 나타낸다.
• 테스트 조건에서 박리된 소층 MXene 코팅은 다층에 비해 효과적이지 않다.
• 고해상도 TEM은 초기 MXene 상태와 마찰에 따라 트리보-레이어의 균일성 및 화학적 차이를 드러낸다.
• 마찰 중 박리는 트리보-레이어 형성에 기여하며 코팅 두께와 주행 속도에 의해 좌우된다.
• 분자 동역학 및 원자 수준의 통찰은 두께, 속도 및 박리에 관한 실험적 경향을 정량적으로 뒷받침한다.
• 전반적으로 MXenes의 마찰 학적 성능은 트리보-화학과 마찰 중의 박리 능력에 의해 제어된다.