Ti3C2Tx改性環(huán)氧樹(shù)脂涂層的制備及其在人工海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能研究

方媛 閆嘉琪 孫景齊 韓鵬輝 趙順強(qiáng) 曾立軍 楊杰 朱建鋒

文章編號(hào)：2096-398X2024）03-0135-09

（1.陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 陜西省無(wú)機(jī)材料綠色制備與功能化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021； 2.長(zhǎng)慶油田分公司 機(jī)械制造總廠(chǎng)， 陜西 西安 710201； 3.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021）

[HJ1.4mm]

摘 要：以氫氟酸作為MAX相（Ti3AlC2）粉體的刻蝕劑，制備出了具有“手風(fēng)琴”形貌的Ti3C2Tx MXene，以水性環(huán)氧樹(shù)脂、水性環(huán)氧樹(shù)脂固化劑以及Ti3C2Tx為原料制備了Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層.通過(guò)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和光學(xué)數(shù)碼顯微鏡測(cè)試涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦系數(shù)和磨損率；采用掃描電子顯微鏡、顯微共焦激光拉曼光譜儀分析磨痕表面形貌、物相，進(jìn)而探討磨損機(jī)理；使用電化學(xué)工作站，探究人工海水環(huán)境下涂層的耐腐蝕性能.研究表明：與去離子水環(huán)境相對(duì)比，人工海水環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層具有更低的摩擦系數(shù)；同時(shí)Ti3C2Tx的加入顯著提升了環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐腐蝕性能.Ti3C2Tx的添加能夠顯著提高環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能.隨著Ti3C2Tx含量的增大，涂層的摩擦系數(shù)和磨損率均呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)Ti3C2Tx的含量為1.0 wt%時(shí)，涂層的摩擦系數(shù)和磨損率最低，分別為0.13和4.99×10-5 mm3/Nm，與純環(huán)氧樹(shù)脂涂層相比，分別降低了65.8%和兩個(gè)數(shù)量級(jí).

關(guān)鍵詞：Ti3C2Tx； 海水環(huán)境； 摩擦磨損性能； 環(huán)氧樹(shù)脂涂層； 磨損機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TB37??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on preparation of Ti3C2Tx modified epoxy resin coatings and itstribological properties in artificial seawater

FANG Yuan1， YAN Jia-qi1， SUN Jing-qi2， HAN Peng-hui2， HAO Shun-qiang1， ENG Li-jun1， YANG Jie3， HU Jian-feng1

1.School of Material Science and Engineering， Shaanxi ey Laboratory of Green Preparation and Functionalization for Inorganic Materials， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China; 2.Machinery Manufacturing Plant， Changqing Oilfield Company， Xi′an 710201， China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China）

Abstract：Ti3C2Tx MXene with an ″accordion″ shape was prepared using hydrofluoric acid as an etching agent from the MAX phase Ti3AlC2） powder.The Ti3C2Tx epoxy resin coatings were prepared using aqueous epoxy resin，aqueous epoxy resin curing agent and Ti3C2Tx as raw materials.The coefficients of friction and wear rates of the coatings were tested by a reciprocating abrasion tester and an optical digital microscope.The morphology and phase composition of the worn surfaces were analysed by scanning electron microscopy，micro confocal laser Raman spectroscopy and X-ray diffractometer to investigate the wear mechanism of coatings.The corrosion resistance of the coating in artificial seawater environment was evaluated by electrochemical workstation.It was shown that Ti3C2Tx epoxy coatings have lower coefficients of friction under artificial seawater environment compared with that under deionized water environment.At the same time，the addition of Ti3C2Tx significantly improves the corrosion resistance of the epoxy resin coating.Ti3C2Tx addition significantly improves the tribological properties of epoxy resin coatings in artificial seawater environments.With the increase of Ti3C2Tx content，both the friction coefficient and wear rate of the coating showed a tendency of decrease firstly and then increase.The lowest friction coefficient and wear rate of the epoxy resin coatings under artificial seawater environment were 0.13 and 4.99 × 10-5 mm3/Nm respectively which were 65.8% and two orders of magnitude lower than those of the pure epoxy resin coating respectively when the content of Ti3C2Tx was 1.0 wt%.

Key words：Ti3C2Tx; artificial seawater environment; friction and wear properties; epoxy resin coating; wear mechanism

0 引言

海洋設(shè)備所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域包括航海船舶、海岸工程以及海防安全等［1-3］.但由于海洋環(huán)境復(fù)雜，其中存在大量的微生物以及具有較強(qiáng)腐蝕性的金屬鹽類(lèi)物質(zhì)，導(dǎo)致海水環(huán)境對(duì)海洋設(shè)備存在較大的腐蝕作用［4-6］.此外由于海水介質(zhì)本身具有粘度較低的特點(diǎn)，導(dǎo)致海水環(huán)境下形成的水潤(rùn)滑膜強(qiáng)度較差，無(wú)法為海洋設(shè)備提供有效的潤(rùn)滑，同時(shí)由于水環(huán)境的特殊性，油脂潤(rùn)滑在海洋設(shè)備中很難起到有效的潤(rùn)滑作用，因此具有良好耐腐蝕性能的潤(rùn)滑涂層在海洋設(shè)備中發(fā)揮著重要作用［7，8］.

以環(huán)氧樹(shù)脂為粘結(jié)劑所制備的環(huán)氧樹(shù)脂涂層，因其具有良好的力學(xué)性能以及優(yōu)異的理化性能，被廣泛運(yùn)用于航海設(shè)備中［9，10］.然而在具有嚴(yán)酷腐蝕性的海水環(huán)境中，環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐腐蝕性和耐磨性有待進(jìn)一步提高，研究表明，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂涂層進(jìn)行改性，可以有效提升環(huán)氧樹(shù)脂涂層的性能［11］.柴輝等［12］為了提高海水環(huán)境中柱塞泵摩擦副的防腐耐磨性能，以環(huán)氧樹(shù)脂為粘結(jié)劑、鈦納米顆粒（Ti）以及碳納米纖維（CNF）為填料，制備了Ti-CNF環(huán)氧樹(shù)脂涂層，研究表明，當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6 wt%時(shí)，在海水環(huán)境下，涂層的摩擦系數(shù)和磨損率最低，分別為0.35和7.52×10-13 mm3/Nm.Rajitha等［13］將0.2 wt%的石墨烯加入到環(huán)氧樹(shù)脂涂層中，制備了石墨烯環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂層，研究表明，在海水環(huán)境中，與純環(huán)氧樹(shù)脂涂層相比，石墨烯環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂層的阻抗值從1 270 Ωcm2增加到了6.60×107 Ωcm2，極大的提升了環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐腐蝕性能.

近年來(lái)，MXene作為一種新型的二維材料，受到了研究者們的廣泛關(guān)注.MXene是由MAX相材料通過(guò)刻蝕其中的A層，所得到的具有類(lèi)石墨烯結(jié)構(gòu)的二維層狀材料［14-16］.MXene這種獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)使其具有較弱的層間結(jié)合力，同時(shí)MXene在滑動(dòng)摩擦的過(guò)程中，層與層之間易產(chǎn)生滑移，從而具有較低的摩擦系數(shù)和磨損率［17］.因此，MXene可被作為良好的自潤(rùn)滑添加劑以提高材料的摩擦學(xué)性能［18-20］.Marian M等［21］以Ti3C2Tx作為固體潤(rùn)滑劑，涂敷在推力球軸承表面，研究表明，與未涂敷Ti3C2Tx的推力球軸承相比，Ti3C2Tx固體潤(rùn)滑劑的添加，使推力球軸承在高載荷作用下的磨損率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)使用壽命延長(zhǎng)了2.1倍.MXene納米片的層狀結(jié)構(gòu)還可以有效的阻隔腐蝕物質(zhì)侵入，因此MXene具有良好的耐腐蝕性能.為了提升銅在海水環(huán)境下的耐腐蝕性能，Cao等［22］在銅表面制備了Ti3C2Tx復(fù)合涂層，研究表明，復(fù)合涂層在浸泡16天后顯示出較高的阻抗模量，同時(shí)浸泡30天后涂層仍保持98.55%的高保護(hù)效率.因此以MXene作為環(huán)氧樹(shù)脂涂層的固體潤(rùn)滑劑，有望制備出在海水環(huán)境中具有良好防腐耐磨性能的潤(rùn)滑涂層.

本文基于Ti3C2Tx良好的耐腐蝕以及耐磨性能，設(shè)計(jì)、制備了Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層，研究了其在人工海水環(huán)境中的摩擦磨損性能.以Ti-Al-TiC為反應(yīng)體系，采用真空燒結(jié)法制備Ti3AlC2粉體，隨后以氫氟酸作為刻蝕劑，剝離得到二維層狀Ti3C2Tx MXene.在此基礎(chǔ)上制備Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層，分別探討了涂層在去離子水環(huán)境和人工海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能，隨后系統(tǒng)研究了Ti3C2Tx的含量對(duì)Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能的影響，并通過(guò)磨痕分析其磨損機(jī)制以及潤(rùn)滑機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

1.1.1 Ti3AlC2粉體的制備

以TiC粉體（上海卜微應(yīng)用材料技術(shù)有限公司，純度99.9%，粒徑48 μm）、Al粉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度99.9%，粒徑48 μm）、Ti粉（西安寶德粉末冶金有限公司，純度99.9%，粒徑48 μm）為原料，按照2∶1.2∶1的摩爾比進(jìn)行配料，采用真空無(wú)壓燒結(jié)法，燒結(jié)溫度為1 350 ℃并保溫2 h.得到Ti3AlC2粉體材料.

1.1.2 Ti3C2Tx MXene的制備

將5g Ti3AlC2粉末緩慢加入40 mL 40 vol% HF（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，濃度40%）刻蝕劑中進(jìn)行剝離，室溫下攪拌24 h.用去離子水多次離心，分離刻蝕產(chǎn)物，直至上層清液PH≈6，隨后在真空干燥箱（上海-恒科學(xué)儀器有限公司）中干燥24 h，得到MXene粉體

1.1.3 環(huán)氧樹(shù)脂涂層的制備

將水性環(huán)氧樹(shù)脂（深圳市吉田化工有限公司，F(xiàn)0704）與水性環(huán)氧樹(shù)脂固化劑（深圳市吉田化工有限公司，F(xiàn)0704）按照質(zhì)量比2∶1的比例加入到15 mL去離子水中，充分?jǐn)嚢?，并分別按照Ti3C2Tx占涂層總質(zhì)量0 wt%、0.5 wt%、1.0 wt%以及1.5 wt%制備Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂料.將涂料進(jìn)行超聲處理并充分?jǐn)嚢?，使Ti3C2Tx均勻分布.將制備好的Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂料擦涂在經(jīng)噴砂處理、丙酮清洗的718鋼基底上，并在室溫下固化24 h，得到Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂潤(rùn)滑涂層，依次命名為MX0.0%、MX0.5%、MX1.0%以及MX1.5%.涂層厚度均約為10 μm.

1.1.4 人工海水的制備

本實(shí)驗(yàn)海水環(huán)境由人工海水構(gòu)建，人工海水的具體配方GBT10834）如表1所示.

1.2 材料的表征及性能測(cè)試

采用CHI800D型上海辰華電化學(xué)工作站對(duì)涂層的耐腐蝕性能進(jìn)行評(píng)估.采用HSR-2M型往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（蘭州中科凱華科技開(kāi)發(fā)有限公司），實(shí)驗(yàn)選擇Φ6 mm的Si3N4對(duì)偶球（浙江杰奈爾新材料有限公司），采用往復(fù)摩擦法，摩擦線(xiàn)速度為0.02 m/s，載荷為3 N，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min，相同條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)至少3次，摩擦系數(shù)和磨損率取平均值.采用FEI Verios460型掃描電子顯微鏡（FEI，美國(guó)）、D/max2200pc型X射線(xiàn)衍射儀（Rigaku，日本）、Renishaw-invia型顯微共焦激光拉曼光譜儀（Renishaw，英國(guó)）對(duì)材料微觀(guān)形貌及物相進(jìn)行分析.使用Olympus DEX series光學(xué)數(shù)碼顯微鏡測(cè)量樣品磨痕的橫截面積.樣品的磨損率通過(guò)如下公式計(jì)算：

Wd=L·SN·v·t（1）

式（1）中：Wd為樣品的磨損率（mm3/Nm）；L為摩擦路徑的長(zhǎng)度（mm），本實(shí)驗(yàn)中為5 mm；S為磨痕橫截面積（mm3）；N為載荷（N），本實(shí)驗(yàn)中為3 N；v為相對(duì)滑動(dòng)線(xiàn)速度（m/s），本實(shí)驗(yàn)中為0.02 m/s；t為摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)中為30 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti3C2Tx MXene的制備

圖1（a）為真空無(wú)壓燒結(jié)制備的Ti3AlC2粉體的微觀(guān)形貌，可以看出，Ti3AlC2層狀結(jié)構(gòu)明顯，層與層之間結(jié)構(gòu)緊密；圖1（b）為腐蝕剝離得到的Ti3C2Tx MXene粉體的微觀(guān)形貌，可以觀(guān)察到類(lèi)似“手風(fēng)琴”的層狀結(jié)構(gòu).

圖2（a）為經(jīng)HF刻蝕前后的Ti3AlC2的XRD對(duì)比圖譜，可以看出，（104）晶面對(duì)應(yīng)的特征峰消失，這表明Ti-Al鍵已斷裂；圖2（b）為T(mén)i3C2Tx的拉曼圖譜，其中155.3 cm-1、268.8 cm-1、411.9 cm-1以及612.3 cm-1峰與Ti3C2Tx拉曼光譜特征峰一致，以上結(jié)果表明Ti3C2Tx的成功制備［23］.

2.2 Ti3C2Tx改性環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦學(xué)行為

圖3為人工海水和去離子水環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)和平均磨損率.可以看出，人工海水環(huán)境下，涂層的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，摩擦系數(shù)經(jīng)歷了大約5 min的跑合期，摩擦系數(shù)最終穩(wěn)定在0.13.與人工海水環(huán)境相比，去離子水環(huán)境下的Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的摩擦系數(shù)較高且摩擦系數(shù)曲線(xiàn)波動(dòng)較大，平均摩擦系數(shù)為0.20.涂層的平均磨損率與摩擦系數(shù)反映出的規(guī)律相反，由于人工海水環(huán)境下，涂層可能發(fā)生了腐蝕磨損，導(dǎo)致Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的磨損率有所提升［24］.

圖4為不同環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層磨斑表面的SEM圖.圖5為不同環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層磨斑表面的拉曼圖譜.與去離子水環(huán)境相比，人工海水環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的磨斑表面更為平整，使得涂層在人工海水環(huán)境下具有較低且平穩(wěn)的摩擦系數(shù).去離子水環(huán)境下，磨斑表面觀(guān)察到了連續(xù)的摩擦膜，同時(shí)磨斑表面存在大量的凹坑和分層現(xiàn)象，此時(shí)疲勞磨損為主要的磨損機(jī)理.由拉曼圖譜分析可知，涂層磨斑表面的摩擦膜主要由環(huán)氧樹(shù)脂以及Ti3C2Tx組成，這表明，摩擦過(guò)程中Ti3C2Tx并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng).人工海水環(huán)境下，磨斑表面可以觀(guān)察到沿載荷滑動(dòng)方向的犁溝.通過(guò)EDS分析，磨斑表面存在大量來(lái)自人工海水環(huán)境中的Cl元素.人工海水環(huán)境中Cl-離子易與磨屑中的Ti元素反應(yīng)，生成低摩擦系數(shù)的潤(rùn)滑相，從而起到潤(rùn)滑作用［25］.通過(guò)拉曼圖譜分析可得，涂層磨斑表面摩擦膜的主要成分為CaCO3、MgCO3、NaCl、MgCl、CaCl、TiO2以及Ti3C2Tx.由于CaCO3、MgCO3等鹽類(lèi)屬于典型的分子淤泥狀物質(zhì)，具有一定的邊界潤(rùn)滑作用，同時(shí)鹽類(lèi)物質(zhì)可以阻止摩擦副的直接接觸，從而顯著提升涂層的摩擦學(xué)性能［26］.

2.3 Ti3C2Tx改性環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐腐蝕性能

圖6（a）為人工海水環(huán)境下涂層的開(kāi)路電位隨時(shí)間變化的曲線(xiàn).可以看出，純環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下，浸泡初期開(kāi)路電位較為平穩(wěn)，平均開(kāi)路電位為-0.16 V.隨著浸泡時(shí)間的增加，人工海水中的鹽類(lèi)對(duì)涂層的腐蝕作用加劇，純環(huán)氧樹(shù)脂涂層的開(kāi)路電位急劇下降，最終穩(wěn)定在-0.3 V左右.相比純環(huán)氧樹(shù)脂涂層，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在整個(gè)測(cè)試階段，開(kāi)路電位無(wú)明顯變化，開(kāi)路電位曲線(xiàn)平穩(wěn)，開(kāi)路電位為-0.05 V.

[JP+2]圖6（b）為人工海水環(huán)境下，純環(huán)氧樹(shù)脂和Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在靜態(tài)條件下的動(dòng)電位極化曲線(xiàn).通過(guò)塔菲爾外推法擬合獲得腐蝕電流密度分別為4.51×10-7 A/cm2和2.62×10-8 A/cm2.與純環(huán)氧樹(shù)脂涂層相比，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的開(kāi)路電位提升了83.3%，同時(shí)腐蝕電流密度下降了一個(gè)數(shù)量級(jí).以上結(jié)果表明，Ti3C2Tx的添加有效提升了環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐腐蝕性能.

圖7（a）為人工海水環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層摩擦試驗(yàn)前、摩擦過(guò)程中以及摩擦試驗(yàn)后的開(kāi)路電位.可以看出，在摩擦試驗(yàn)開(kāi)始之前，涂層的開(kāi)路電位較為穩(wěn)定，在300 s時(shí)，滑動(dòng)副與涂層接觸并開(kāi)始滑動(dòng)，開(kāi)路電位隨著摩擦?xí)r間的增加逐漸下降，這是由于隨著摩擦?xí)r間的增加，涂層表面具有優(yōu)異耐腐蝕性能的鈍化膜逐漸被破壞，導(dǎo)致涂層的耐腐蝕性能下降，摩擦試驗(yàn)在1 200 s時(shí)結(jié)束，隨著摩擦試驗(yàn)的停止，涂層表面逐漸形成了耐腐蝕性能較好的鈍化膜，導(dǎo)致了涂層耐腐蝕性能提升，開(kāi)路電位升高.

圖7（b）為人工海水環(huán)境中Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂在僅腐蝕狀態(tài)和腐蝕摩擦試驗(yàn)條件下的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)，可以看出，摩擦副與涂層未接觸時(shí)，涂層的極化曲線(xiàn)較為平穩(wěn)，隨著摩擦磨損試驗(yàn)的開(kāi)始，涂層的腐蝕電流密度發(fā)生了明顯的震蕩現(xiàn)象，這是由于摩擦過(guò)程中涂層表面的鈍化膜局部破壞及再鈍化導(dǎo)致的［25］.通過(guò)塔菲爾外推法擬合獲得滑動(dòng)條件和靜態(tài)條件下腐蝕電流密度分別為，1.18×10-7 A/cm2和2.62×10-8 A/cm2.這表明，涂層耐腐蝕的主要原因歸結(jié)于表面的鈍化膜.

為了進(jìn)一步探究Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐腐蝕機(jī)理，將環(huán)氧樹(shù)脂涂層與Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下浸泡7天，并對(duì)浸泡后涂層的表面進(jìn)行了表征.圖8為環(huán)氧樹(shù)脂涂層和Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水中浸泡7天后表面的SEM圖以及Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層表面的EDS圖譜，可以看出，由于人工海水的浸入，環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水中出現(xiàn)了明顯的起皺現(xiàn)象，導(dǎo)致了涂層對(duì)基底的保護(hù)作用消失.與環(huán)氧樹(shù)脂涂層相比，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在浸泡7天后，表面形貌平整，通過(guò)EDS分析，涂層表面被人工海水中的鹽類(lèi)物質(zhì)覆蓋，這表明，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層為基體提供了一層物理屏障，防止了基體直接暴露于海水中［26］.以上結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了，與環(huán)氧樹(shù)脂涂層相比，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層具有更好的耐腐蝕性能.

2.4 Ti3C2Tx含量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦學(xué)性能的影響

分別制備Ti3C2Tx含量為0 wt%、0.5 wt%、1 wt%以及1.5 wt%的Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層，依次命名為MX0.0%、MX0.5%、MX1.0%和MX1.5%.圖9（a）為人工海水環(huán)境下MX0.0%- MX1.5%Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn).可以看出，純環(huán)氧樹(shù)脂涂層摩擦過(guò)程中跑合期較長(zhǎng)，約為20 min，且摩擦系數(shù)曲線(xiàn)波動(dòng)較大.磨損率相對(duì)較高，為1.86×10-3 mm3/Nm.相較而言，Ti3C2Tx的添加能夠明顯降低環(huán)氧樹(shù)脂涂層的摩擦系數(shù)和磨損率.隨著涂層中Ti3C2Tx的含量的增大，涂層的摩擦系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì).當(dāng)Ti3C2Tx含量在0.5 wt%時(shí)，涂層的摩擦系數(shù)較純環(huán)氧樹(shù)脂涂層有明顯降低且極為平穩(wěn).當(dāng)Ti3C2Tx含量為1.0 wt%時(shí)，涂層的摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，平均摩擦系數(shù)可低至0.13，較純環(huán)氧樹(shù)脂涂層降低了65.8%.隨著涂層中Ti3C2Tx含量的繼續(xù)增大，涂層的摩擦系數(shù)呈上升趨勢(shì)，當(dāng)Ti3C2Tx含量為1.5 wt%時(shí)，涂層的摩擦系數(shù)升至0.26.

圖9（b）為人工海水環(huán)境下MX0.0%- MX1.5%Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的磨損率與平均摩擦系數(shù).與摩擦系數(shù)變化規(guī)律相同，隨著涂層中Ti3C2Tx的含量的增大，涂層的磨損率也呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).當(dāng)Ti3C2Tx含量為1.0 wt%時(shí)，涂層的磨損率最低，為4.99×10-5 mm3/Nm，較純環(huán)氧樹(shù)脂涂層降低了2個(gè)數(shù)量級(jí).

圖10（a）、（b）為純環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下磨斑表面的SEM圖及局部放大圖.可以看出，純環(huán)氧樹(shù)脂涂層磨斑表面存在大量磨屑和磨屑碾平的區(qū)域，從三維形貌圖可以看出，磨痕兩側(cè)存在明顯的壓潰區(qū).這是由于環(huán)氧樹(shù)脂屬于典型的脆性材料，因此在外力的作用下，環(huán)氧樹(shù)脂中的大分子鏈易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致材料出現(xiàn)片狀或?qū)訝顒兟洮F(xiàn)象［27］.從高倍數(shù)SEM圖可以看出，磨斑表面存在大量微裂紋，此時(shí)磨粒磨損為主要的磨損機(jī)理.

圖10（c）、（d）為0.5 wt%Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下磨斑表面及局部放大的SEM圖.可以看出，磨斑表面存在大量磨屑，磨屑在循環(huán)應(yīng)力的作用下被碾碎，并嵌入摩擦膜表面產(chǎn)生平行于載荷滑動(dòng)方向的犁溝，同時(shí)由于人工海水環(huán)境中，涂層發(fā)生了腐蝕磨損，導(dǎo)致磨斑表面出現(xiàn)了大量的腐蝕坑，此時(shí)磨粒磨損和腐蝕磨損為主要的磨損機(jī)理.由于環(huán)氧樹(shù)脂與Ti3C2Tx具有良好的界面相互作用，導(dǎo)致Ti3C2Tx易與環(huán)氧樹(shù)脂中的大[HJ2.1mm]分子鏈發(fā)生物理或化學(xué)耦合，因此Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層中的Ti3C2Tx，可以使涂層承受更高的外來(lái)載荷［28］.此外，由于填料的改性，在摩擦磨損過(guò)程中，摩擦副之間容易形成轉(zhuǎn)移膜，避免或減輕了對(duì)摩副之間接觸，因此隨著涂層中Ti3C2Tx含量的增大，磨斑表面形貌逐漸光滑平整［29］.

圖10（e）、（f）為1.0 wt%Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下磨斑表面及局部放大的SEM圖.從高倍SEM圖可以看出，與環(huán)氧樹(shù)脂涂層相比，磨斑表面疲勞裂紋消失，同時(shí)磨斑表面摩擦膜平整且連續(xù)，這是由于Ti3C2Tx能夠一定程度減緩裂紋發(fā)展速度，當(dāng)裂紋發(fā)展至Ti3C2Tx處被鈍化，導(dǎo)致破壞性裂紋形成一定程度減少，因此僅有少量的磨屑以及較淺的犁溝出現(xiàn)在磨斑表面，黏著磨損為此時(shí)主要的磨損機(jī)理.圖10（g）、h）為1.5 wt%Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下磨斑表面及局部放大的SEM圖.可以看出，當(dāng)Ti3C2Tx含量為1.5 wt%時(shí)，涂層的磨損率較大且磨斑表面較為粗糙，這是由于，隨著填料含量的增大，填料出現(xiàn)了一定程度的團(tuán)聚傾向，填料與基底的結(jié)合力減弱，因此涂層在摩擦的過(guò)程中，產(chǎn)生了大面積層狀脫落現(xiàn)象，此外由于應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致在摩擦的過(guò)程中，Ti3C2Tx團(tuán)聚處易產(chǎn)生大量的疲勞裂紋，導(dǎo)致此時(shí)涂層的摩擦系數(shù)和磨損率較高［29］.

圖11為T(mén)i3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在人工海水環(huán)境下的磨損機(jī)理示意圖.環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑為基體提供了一層物理屏障，防止了基體直接暴露于海水中，Ti3C2Tx有效地填充了環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中的間隙，同時(shí)比表面積較大的二維層狀Ti3C2Tx使腐蝕物質(zhì)的擴(kuò)散曲徑延長(zhǎng)，阻止了來(lái)自人工海水環(huán)境中的鹽類(lèi)物質(zhì)的滲透，從而顯著提升涂層的耐腐蝕性能［30］.人工海水環(huán)境下，涂層與Si3N4配副摩擦的過(guò)程中，形成了一層以Ti3C2Tx以及CaCO3、MgCO3、NaCl、MgCl、CaCl等物質(zhì)組成的摩擦膜，避免了摩擦副之間的直接接觸，從而起到減摩潤(rùn)滑作用.

3 結(jié)論

（1）與去離子水環(huán)境相比，人工海水環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的磨斑表面更為平整，使得涂層在人工海水環(huán)境下具有較低且平穩(wěn)的摩擦系數(shù).人工海水環(huán)境下，磨痕表面形成了一層以CaCO3、MgCO3、NaCl、MgCl、CaCl、TiO2以及Ti3C2Tx組成的潤(rùn)滑膜，由于CaCO3、MgCO3等鹽類(lèi)具有良好的潤(rùn)滑性能，同時(shí)人工海水環(huán)境下的Cl-離子易于磨屑中的Ti元素反應(yīng)，生成低摩擦系數(shù)的潤(rùn)滑相，因此人工海水環(huán)境下，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層具有良好的摩擦學(xué)性能.

（2）人工海水環(huán)境下，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層與純環(huán)氧樹(shù)脂涂層相比，開(kāi)路電位提高了0.25 V，腐蝕電流密度下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層在摩擦過(guò)程中，隨著摩擦試驗(yàn)的開(kāi)始，涂層表面的鈍化膜被破壞，導(dǎo)致了涂層的耐腐蝕性能下降，隨著摩擦試驗(yàn)的停止，涂層的鈍化膜重新形成，涂層的耐腐蝕性能提升.因此，Ti3C2Tx的添加有效增強(qiáng)了環(huán)氧樹(shù)脂的耐腐蝕性能.

（3）人工海水環(huán)境下，Ti3C2Tx環(huán)氧樹(shù)脂涂層的摩擦系數(shù)和磨損率隨著Ti3C2Tx含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)Ti3C2Tx含量為1 wt%時(shí)，涂層的摩擦系數(shù)和磨損率最低，分別為0.13和4.99×10-5 /Nm，較純環(huán)氧樹(shù)脂相比，分別降低了65.8%和兩個(gè)數(shù)量級(jí).隨著環(huán)氧樹(shù)脂涂層中Ti3C2Tx含量的增加，在人工海水環(huán)境下，涂層的磨損機(jī)理由嚴(yán)重的磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp.

參考文獻(xiàn)

［1］ 陳 威，王 奎，李 玲.Si3N4-hBN復(fù)相陶瓷材料在海水環(huán)境中的摩擦學(xué)特性研究.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，372）：127-133.

［2］ 董彬杰，董從林，白秀琴，等.人工海水溶液中系泊鏈鋼的腐蝕磨損行為.表面技術(shù)，2022，515）：40-48.

［3］ Xie R，Yuan Y，Sun P，et al.Design of epoxy resin with sustainability，high adhesion and excellent flame retardancy based on bio-based molecules.Journal of Materials Science，2022，5727）：13 078-13 096.

［4］ Liu X，hao X，An Y，et al.Effects of loads on corrosion-wear synergism of NiCCrAlYTa coating in artificial seawater.Tribology International，2017，118：421-431.

［5］ 于思榮，孫偉松，唐夢(mèng)龍，等.石墨烯的改性及其環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能.功能材料，2019，5011）：11 199-11 204.

［6］ Obadele B A，Andrews A，Shong M B，et al.Tribocorrosion behaviours of AISI 310 and AISI 316 austenitic stainless steels in 3.5% NaCl solution.Materials Chemistry and Physics，2016，171：239-246.

［7］ 文懷興，孫建建，陳 威.海洋環(huán)境下關(guān)鍵摩擦副材料的摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀與展望.材料導(dǎo)報(bào)，2016，3015）：85-91，112.

［8］ Hamzat A ，Adesina A Y，Rasheed T，et al.Assessing the tribological behavior of nanoclay-reinforced epoxy coatings under dry sliding and seawater lubricated conditions.Journal of Materials Engineering and Performance，2022，3215）：6 905-6 914.

［9］ 李新凱，李志科，李 鑫，等.PAO10@SiO2納米膠囊的制備及自潤(rùn)滑環(huán)氧樹(shù)脂摩擦磨損性能.高分子材料科學(xué)與工程，2023，391）：50-56.

［10］ Ji J，Huang S.A novel biomass-derived Schiff base waterborne epoxy coating for flame retardation and anti-bacteria.Polymer Degradation and Stability，2022，19912）：109 910.

［11］ Xia? B，Liu G ，Dong Y Q，et al.Anticorrosive epoxy coatings based on polydopamine modified molybdenum disulfide.Progress in Organic Coatings，2019，133：154-160.

［12］ 柴 輝，王新華，孫 濤，等.Ti-CNF增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂層的制備及性能研究.表面技術(shù)，2022，515）：166-176.

［13］ amalon Rajitha，ikkeri Narasimha，Shetty Mohana.Synthesis of graphene oxide-based nanofillers and their influence on the anticorrosion performance of epoxy coating in saline medium.Diamond & Related Materials，2020，108：107 974.

［14］ 司曉陽(yáng)，陳凡燕，鄧啟煌，等.MXene/銅合金復(fù)合材料的制備與性能研究.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2018，336）：603-608.

［15］ Serles P，Hamidinejad M，Demingos P G，et al.Friction of Ti3C2Tx MXenes.Nano Letters，2022，228）：3 356-3 363.

［16］ Yi M J，Hu S Y，Li N，et al.Selenium vacancy-rich and heteroatom-doped CoSe/Mo2CTx MXene prepared using ionic liquid dopants for pH-universal hydrogen evolution and flexible supercapacitors.Journal of Energy Chemistry，2022，729）：453-464.

［17］ ou ，Ning M Q，Lei? ，et al.0D/1D/2D architectural Co@C/MXene composite for boosting microwave attenuation performance in 2-18 GHz.Carbon，2022，193：182-194.

［18］ ubair M，Hassan M U，Mehran M T，et al.2D MXenes and their heterostructures for HER，OER and overall water splitting：A review.International Journal of Hydrogen Energy，2022，475）：2 794-2 818

［19］ 姚金辰，王李波，李浩楠，等.MXene/聚合物復(fù)合材料的合成及其應(yīng)用研究進(jìn)展.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2022，394）：1 457-1 468.

［20］ hong Q，Li Y，hang G.Two-dimensional MXene-based and MXene-derived photocatalysts：Recent developments and perspectives.Chemical Engineering Journal，2020，40910）：128 099.

［21］ Marian M，Tremmel S，Wartzack S，et al.MXene nanosheets as an emerging solid lubricant for machine elements-Towards increased energy efficiency and service life.Applied Surface Science，2020，523：146 503.

［22］ Cao H J，F(xiàn)ang M X，Jia W H，et al.Remarkable improvement of corrosion resistance of silane composite coating with Ti3C2Tx MXene on copper.Composites Part B：Engineering，2021，228：109 427.

［23］ Shi C，Xiong Q Q，hao C X，et al.Synergism of 1D CdS/2D modified Ti3C2Tx MXene heterojunctions for boosted photocatalytic hydrogen production.Chinese Journal of Structural Chemistry，2022，418）：58-64.

［24］ Li C，Rui ，Wang G，et al.The mechanical properties of epoxy resin composites modified by compound modification.AIP Advances，2018，810）：105 325.

［25］ 李文生，孫緒偉，王永欣，等.多界面CrN/CrAlN涂層在海水環(huán)境中的腐蝕磨損性能研究.表面技術(shù)，2022，511）：69-78.

［26］ 王建章，陳貝貝，閻逢元.海水組分對(duì)海水潤(rùn)滑性能的影響.潤(rùn)滑與密封，2011，3611）：1-5.

［27］ Wetzel B，Haupert F，F(xiàn)riedrich ，et al.Impact and wear resistance of polymer nanocomposites at low filler content.Polymer Engineering & Science，2010，429）：1 919-1 927.

［28］ Xie R，Yuan Y，Sun P，et al.Design of epoxy resin with sustainability，high adhesion and excellent flame retardancy based on bio-based molecules.Journal of Materials Science，2022，5727）：13 078-13 096.

［29］ 康瑞洋，張振宇，郭梁超，等.Ti3C2 MXene填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究.硬質(zhì)合金，2019，363）：213-220.

［30］ 趙明月，裴曉園，王 維，等.二維納米材料/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂層在腐蝕防護(hù)中的應(yīng)用.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2022，395）：2 049-2 059.

【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51705300）； 中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2018M643559）； 陜西省科技廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2022JM-267）； 陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（21J0537）； 陜西科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2017BJ-05）

作者簡(jiǎn)介：方 媛（1988—），女，陜西寶雞人，副教授，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)/潤(rùn)滑功能一體化陶瓷基復(fù)合材料