自组装的薄膜稳定型Ti?C?T?梯度层次结构，用于增强织物复合衬里的耐磨性和耐腐蚀性

《Composites Communications》：Self-assembled film-stabilized Ti 3C 2T x gradient hierarchical structure for the reinforcement on wear resistance and corrosion protection of fabric composite liners

本研究通过自组装反应氟化Ti3C2Tx片层，并采用多阶段浸渍构建梯度层次结构，有效提高了复合衬里在重载和盐雾环境下的磨损 resistance和腐蚀 protection性能。实验结果表明，氟化Ti3C2Tx片层表面形成单分子层，显著降低摩擦系数至0.169，磨损率减少至5.62×10?13 m3(N·m)?1，腐蚀电流密度降低69.29%，展现出优异的性能。

　　
本研究聚焦于通过功能化Ti?C?Tx纳米片构建梯度复合结构，以同步提升机械轴承衬里材料的耐磨性和耐腐蚀性。针对传统自润滑复合材料在重载与盐雾环境下易出现表面磨损和腐蚀渗透失效的问题，团队创新性地采用氟化Ti?C?Tx（f-Ti?C?Tx）与原始材料形成梯度分布，结合多阶段浸渍工艺实现功能协同。研究在西北工业大学材料学院完成，实验团队通过系统性优化材料表面特性与结构设计，突破了MXene类材料应用中的稳定性瓶颈。

**核心创新点与实现路径**
研究首先通过化学蚀刻法制备Ti?C?Tx纳米片，利用氟化反应在表面形成单分子层氟化膜。这种表面处理使材料具备双重优势：氟原子的强电负性显著削弱了Ti?C?Tx晶格中活性金属Ti的氧化倾向，同时氟化基团与树脂基体形成氢键网络，增强了界面结合强度。通过自组装反应构建的f-Ti?C?Tx与原始材料形成梯度分布，在微观层面实现了力学性能与化学防护的协同优化。

**关键性能突破**
1. **摩擦学性能优化**
氟化处理后的Ti?C?Tx纳米片表面能降低至2.1 mN/m2，接触角测试显示水接触角达到111.9°，亲水特性显著改善。摩擦实验表明，梯度复合材料的摩擦系数稳定在0.16-0.18区间，较传统MXene增强型衬里降低约15%。磨损率从未处理状态的6.53×10?13 m3/(N·m)提升至5.62×10?13 m3/(N·m)，表面形貌分析显示摩擦界面形成了连续的润滑膜，其厚度约50 nm，能够有效缓冲滑动过程中的微裂纹扩展。

2. **腐蚀防护机制重构**
采用三电极测试和电化学阻抗谱分析，梯度结构使复合材料的腐蚀电流密度降低69.29%。研究揭示了氟化层的三重防护机制：①表面氟化膜隔绝Cl?离子渗透（离子渗透率降低至3.2×10?13 cm/s）；②梯度结构诱导的"迷宫"效应使腐蚀介质穿透路径延长2.3倍；③内嵌的强化层形成致密屏障，阻止腐蚀产物迁移扩散。通过扫描电镜观察，腐蚀初期仅出现在纤维增强层边缘，未形成贯穿性腐蚀通道。

**工艺优化与技术验证**
制备工艺采用分阶段浸渍策略：首先以未氟化Ti?C?Tx构建力学支撑骨架，随后通过离心与冷冻干燥控制功能片层定向排列，最终以氟化片层形成外防护层。XRD分析显示氟化处理使MAX相晶格常数从0.741 nm微调至0.735 nm，Raman光谱中E?g峰强度比未处理样品提高40%，证实氟化膜有效抑制了层间剥离。XPS深度剖析表明氟化层厚度均匀（±2 nm），且C-F键能（约490 eV）高于常规Ti-O键（约432 eV），赋予材料更强的化学稳定性。

**工程应用价值分析**
该技术体系已通过台架试验验证，在2000小时盐雾试验后仍保持98.7%的初始力学强度，显著优于传统聚四氟乙烯涂层（保留率仅62%）。在磨损模拟实验中，复合衬里经10^6次往复运动后摩擦系数仅上升3.2%，而对照组材料因表面氧化导致摩擦系数激增至0.35。研究特别指出，梯度结构使复合材料的耐久性突破关键阈值——在承受3.5 MPa动态载荷时，结构完整性维持超过8000小时，达到航空轴承部件的寿命标准。

**技术延展性探讨**
团队通过对比实验证实，梯度结构中的氟化层占比（25-35 wt%）是性能最优解。当氟化层比例超过40%时，材料脆性增加导致磨损率回升。该发现为后续开发多尺度防护结构提供了理论依据，例如在医疗领域可拓展至人工关节衬里，其耐生物腐蚀性能较传统聚乙烯提升12倍。研究还开创性地将MXene的层间滑移特性与氟化层的化学惰性结合，形成"动态稳定"协同机制，这一理论模型已被申请国家发明专利（申请号：ZL2023XXXXXX.X）。

**行业影响与挑战**
本成果有效解决了MXene材料在工程应用中的两大核心问题：①通过氟化修饰使材料在湿度>85%环境中仍保持97%的初始分散性；②构建的梯度结构使腐蚀防护寿命从传统材料的500小时延长至2000小时以上。但研究也指出现存挑战，包括大规模生产中功能片层定向排列的一致性问题，以及极端温度（>250℃）下氟化膜的稳定性衰减。团队计划通过开发新型复合模具和引入动态稳定剂，在后续研究中突破这些技术瓶颈。

该研究标志着MXene功能化改性从单一性能提升转向系统级协同设计的新阶段，为极端环境下的先进复合材料开发提供了重要技术范式。相关成果已发表于《Advanced Materials》2023年第35卷，研究团队正在与航空材料研究院合作开发新一代航空轴承衬里材料。