利用基于MXene的自修复填料提高磷酸盐涂层的耐腐蚀性和耐磨性

《Journal of Materials Science & Technology》：Enhancing the corrosion and wear resistance of phosphate coatings with MXene-based self-healing fillers

多尺度MXene-Ti3C2Tx纳米片微胶囊涂层在腐蚀磨损环境下表现出优异的自愈性能与防护效果。通过化学键合将含氟硅烷微胶囊固定于MXene表面，构建出snail-inspired仿生多尺度填料。该涂层不仅通过物理屏障和化学键合显著提升耐蚀性（腐蚀电流密度降低至5.216×10^-7 A/cm2）和耐磨性（摩擦系数0.3），更创新性地利用环境水分触发微胶囊破裂释放PFDTES，形成自修复硅烷网络。这种仿生设计与多功能协同机制为极端环境下的金属防护涂层提供了新范式。

　　在现代工业和科技的发展中，金属材料广泛应用于航空航天、海洋工程和能源等多个关键领域。然而，金属和合金在这些应用环境中极易受到腐蚀和磨损的影响，导致材料性能下降甚至失效，进而带来巨大的经济损失。为了解决这一问题，涂层技术作为一种有效手段被广泛采用。特别是在金属表面形成化学键合磷酸盐涂层（Chemically Bonded Phosphate Coating, CBPC）方面，该技术因其优异的结合强度和耐腐蚀性而受到青睐。然而，CBPC也存在一些固有的缺陷，如高孔隙率、脆性以及缺乏自修复能力，这些特性在长期使用过程中会导致不可逆的损伤。

因此，研究者们致力于开发更先进的磷酸盐涂层，以克服上述问题并提升其耐腐蚀性、耐磨性和自修复能力。近年来，生物启发的策略成为提升涂层性能的一个重要方向。例如，受蜗牛在叶片表面均匀粘附行为的启发，研究人员设计了一种多尺度的复合结构，用于提升涂层的稳定性和功能响应。具体来说，研究团队开发了一种含有1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）的微胶囊（Microcapsules, MC），并将其通过化学键合的方式固定在经硅烷偶联剂修饰的MXene材料Ti?C?T?表面，从而构建了一种具有多尺度结构的功能性填料（k-Ti?C?T?-MC）。这种填料不仅提升了微胶囊在涂层中的分散性，还有效抑制了Ti?C?T?的自聚集倾向，同时解决了有机-无机复合体系中常见的兼容性问题。

通过这一设计，研究团队成功构建了新型的磷酸盐涂层（k-Ti?C?T?-MC@CBPC），该涂层表现出极低的腐蚀电流密度（5.216×10?? A/cm2），并具有高达91.67%的抑制效率。与传统的CBPC相比，该涂层的低频阻抗模量提升了约两个数量级，表明其在抑制腐蚀方面具有显著优势。此外，该涂层在长时间浸入腐蚀性环境中仍表现出良好的自修复能力。这种自修复行为归因于PFDTES从微胶囊中释放后，通过交联形成硅烷网络，从而增强了涂层的疏水性、界面结合强度和内聚力。硅烷网络不仅为涂层提供了物理屏障，还有效减缓了腐蚀性物质的扩散速度，提升了涂层的耐腐蚀性和自修复性能。

在提升涂层的耐磨性方面，研究团队发现硅烷膜与Ti?C?T?之间存在协同润滑作用，能够显著降低涂层的摩擦系数（0.3）和磨损率（1.93×10?? mm3/(N·m))。这种协同作用不仅提高了涂层的表面性能，还增强了其在复杂工况下的适用性。通过这种多尺度结构的设计，研究团队成功实现了对CBPC的性能优化，使其在极端环境下具有更长的使用寿命和更高的可靠性。

在研究过程中，研究人员首先通过LiF和HCl溶液对三元层状材料Ti?AlC?进行蚀刻，以选择性去除Al元素层，并将其替换为–OH、–O或–F基团（T?）。随后，通过超声波和离心处理获得了少层Ti?C?T?纳米片。接着，将硅烷偶联剂（APTES）接枝到这些纳米片的表面，APTES作为桥梁连接纳米片与酸化的微胶囊，从而构建了一种具有多尺度结构的功能性填料。这一填料不仅提升了微胶囊在涂层中的分散性，还有效改善了涂层的整体性能。

为了验证这一设计的有效性，研究团队对完整和受损的涂层进行了详细的腐蚀和磨损性能测试，并通过分子层面的分析揭示了自修复机制。测试结果表明，这种新型的磷酸盐涂层在耐腐蚀性和耐磨性方面均表现出优异的性能，同时具备良好的自修复能力。这种性能的提升为金属在极端环境下的保护提供了新的思路和方法。

在当前的研究基础上，开发多尺度结构的策略不仅提高了材料的分散性，还赋予了基于Ti?C?T?的涂层多种功能。这种策略为未来新型涂层的开发提供了理论支持和技术基础，有助于在恶劣环境中实现更高效、更持久的金属保护。此外，研究团队还发现，通过将PFDTES微胶囊与Ti?C?T?结合，可以有效利用环境中的水分作为自修复的触发因素，从而进一步提升涂层的耐腐蚀性和耐磨性。

通过上述研究，研究人员不仅解决了传统CBPC在长期使用过程中出现的性能下降问题，还开发出一种具有多尺度结构的新型涂层，该涂层在结构设计和功能实现方面均表现出显著优势。这一成果为金属材料在极端环境下的保护提供了新的思路和方法，同时也为涂层技术的进一步发展奠定了基础。未来，随着对材料科学和表面工程的深入研究，这种多尺度结构的设计策略有望在更多领域得到应用，为提升材料的性能和可靠性提供支持。