提到邁克烯（Mxene），相信大多數(shù)科研人員想起的是其優(yōu)秀的電學(xué)性能（電子傳輸能量勢(shì)壘低、豐富的離子擴(kuò)散通路、豐富的活性位點(diǎn)），卻忽略了其優(yōu)越的力學(xué)和摩擦性能，若能兼顧以上性能，對(duì)于提高傳感材料可靠性、降低磨損和能耗、延長(zhǎng)材料使用壽命具有十分重要的意義。
Mxene是一種具有優(yōu)良機(jī)械、熱和摩擦學(xué)性能的二維納米材料，被廣泛應(yīng)用于各種關(guān)鍵研究領(lǐng)域，從癌癥治療到能源和環(huán)境應(yīng)用。其特殊的力學(xué)性質(zhì)，如優(yōu)良的機(jī)械和熱穩(wěn)定性能和豐富的表面性能等，特別是Mxene的末端基團(tuán)對(duì)聚合物具有很強(qiáng)的親和力，使其具有合成先進(jìn)復(fù)合材料的巨大潛力。當(dāng)前，研究人員對(duì)Mxene的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、傳感和其他特性方面展開了大量的研究工作，但其力學(xué)行為尚未進(jìn)行深入的研究，至今仍有許多問(wèn)題沒(méi)有得到解答。
Rajender?Varma教授在《AM》上發(fā)表題為“Mechanotribological?Aspects of?MXene-Reinforced Nanocomposites”的綜述，總結(jié)了Mxene納米粒子合成方法，并對(duì)Mxene和Mxene復(fù)合材料力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能進(jìn)行比較，最后指出當(dāng)前Mxene研究的缺陷、挑戰(zhàn)和未來(lái)研究的路線圖。
1.?Mxene力學(xué)性能及其復(fù)合材料制備
制備Mxene復(fù)合材料主要有三種方法：?溶液共混法（Solution Mixing）、原位混聚法（In Situ Polymerization Blending）、熱壓法（Hot Press）。Mxene納米片上豐富的官能團(tuán)使其可以分散在極性介質(zhì)中，也可以和聚合物互溶生成均勻的Mxene復(fù)合漿料，良好的分散性使得Mxene復(fù)合材料在粒子基體界面中具有良好的強(qiáng)度，從而產(chǎn)生優(yōu)異的機(jī)械、摩擦學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能。值得注意的是，Mxene在非極性聚合物或弱極性聚合物中的溶解度仍然具有挑戰(zhàn)性，因此需要采用適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)修飾來(lái)提高分散性。
當(dāng)前研究人員采用第一性原理預(yù)測(cè)二維原始Mxene彈性特性并采用密度泛函理論(DFT)預(yù)測(cè)Mxene粒子的力學(xué)性能。拉伸過(guò)程中Mxene內(nèi)官能團(tuán)（-O2）可以有效地減緩鈦原子層的斷裂，從而增強(qiáng)了鈦原子層的柔韌性，Mxene在雙軸和單軸拉應(yīng)力作用下，分別能維持9.5%、17%和18%的應(yīng)變 (圖1a-b)。雖然官能團(tuán)會(huì)降低了Mxene納米片的模量，但顯著提高了斷裂韌性和臨界應(yīng)變(圖1c-d);隨著Tin+1Cn中n的減小，功能化Mxene和原始Mxene的彈性模量都有一定程度的增加(圖1e-f)。值得一提的是，通過(guò)添加功能化的Mxene可以提高石墨烯氧化物的機(jī)械性能。
除了計(jì)算研究外，許多研究人員使用原子力顯微鏡(AFM)納米壓痕測(cè)量Mxene力學(xué)性能并用AFM刀尖用于測(cè)量力位移值，將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可以得到Mxene受力與位移值關(guān)系公式（圖2a-f）。值得注意的是，Mxene的彈性很大程度上取決于Tin+1Cn中的“n”的數(shù)量，隨著“n”的增加而減少。考慮到上述薄弱的研究工作，當(dāng)前仍需廣泛的研究，才能精確測(cè)量力學(xué)性，且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中存在的表面缺陷、納米缺陷或微觀結(jié)構(gòu)缺陷、界面強(qiáng)度不強(qiáng)等問(wèn)題應(yīng)當(dāng)被發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化。盡管Mxene材料的制備有很多種實(shí)驗(yàn)方法，幾乎所有的力學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)都是通過(guò)以上技術(shù)完成的，當(dāng)前應(yīng)該在原始功能化的單/多層Mxene材料上發(fā)展更加可靠以及靈活控制的新技術(shù)。
2.?Mxene摩擦學(xué)研究
Mxene片的摩擦學(xué)和力學(xué)性能是至關(guān)重要的，無(wú)論是作為潤(rùn)滑油的添加劑，還是作為金屬或聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。即使是添加少量Mxene，也能顯著提高M(jìn)xene填充液的減摩抗磨性能，這是由于Mxene片具有類似石墨的納米胺化結(jié)構(gòu)。
Mxene薄片的附著力和摩擦值與壓力成正比，同溫度成反比，這是由于在特定環(huán)境下的氧化速率會(huì)改變其結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響摩擦性能(圖2g-l)。Mxene在阻尼穩(wěn)定性測(cè)試中可以達(dá)到五萬(wàn)次，且通過(guò)DFT模擬發(fā)現(xiàn)，Mxene可以通過(guò)層間鍵的相互作用、層間壓縮和滑移/剪切等耗散能量的方式降低外載荷的影響。以Ti3C2(OH)2顆粒作為固體潤(rùn)滑添加劑，可以有效減少兩個(gè)摩擦表面之間的摩擦和磨損。通過(guò)液相反應(yīng)將TiO2涂覆在Mxene表面制備的TiO2-Ti3C2Tx納米復(fù)合材料，并將其加入基礎(chǔ)油中，可以提高其摩擦學(xué)和抗摩擦性能（圖3a-f）。當(dāng)加載載荷為20 N，轉(zhuǎn)速為150 rpm時(shí)，含1.0wt% TiO2-Ti3C2Tx的雜化納米復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能最好，摩擦系數(shù)最低；當(dāng)濃度為1.0wt%時(shí)，在接觸區(qū)域形成均勻的屏蔽摩擦膜，降低剪切應(yīng)力，使滑動(dòng)條件平滑；相反，當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)，嚴(yán)重的納米顆粒團(tuán)聚以及固體潤(rùn)滑顆粒不易進(jìn)入接觸區(qū)會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)變高，且不同的基礎(chǔ)油也會(huì)對(duì)復(fù)合材料摩擦性能產(chǎn)生影響（圖3表）。
3. ?MAX基復(fù)合材料
近年來(lái)，MAX相被用于開發(fā)新型復(fù)合材料。Max相作為一種金屬陶瓷材料具有高熱穩(wěn)定性和抗氧化性的特性，并可作為增強(qiáng)劑改善內(nèi)部相分布和表面性質(zhì)。
以Ti3AlC2和SnO2為原材料，采用無(wú)壓燒結(jié)的方法可以制備出Ti3(al, Sn)C2/Al2O3復(fù)合材料(圖4e)，復(fù)合材料內(nèi)氧化鋁的原位形成和固溶強(qiáng)化作用能夠提高整體力學(xué)性能其摩擦膜的產(chǎn)生主要?dú)w因于摩擦氧化反應(yīng)（圖4a-d）。通過(guò)等離子燒結(jié)方法制備原位MAX（Ti3SiC2-TiSi2-TiC）基納米復(fù)合材料，其硬度（7.8?GPa）比單片Ti3SiC2的理論值（4GPa）高了95%，這是由于在熔融狀態(tài)下的析出物（Ti3AlC2→γ-Ni3（Al，Ti））對(duì)晶粒生長(zhǎng)和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有很高的阻力并會(huì)通過(guò)裂紋橋接和裂紋撓度機(jī)制強(qiáng)化材料的力學(xué)和抗摩擦性能，而摩擦學(xué)改善的主要原因是TiC相可以屏蔽Ti3SiC2相，在磨損過(guò)程中起到承重作用以及在TiC-Ti3SiC2界面處起到增強(qiáng)劑的作用。
4.?Mxene/聚合物復(fù)合材料
Mxene/聚合物復(fù)合材料具有極好的硬度、抗蠕變和抗摩擦性能(圖3a-b)。這是由于Mxene具有與多種聚合物復(fù)合的巨大潛力，其豐富的化學(xué)性質(zhì)可以顯著影響球晶的生長(zhǎng)以及聚合物材料的結(jié)晶行為，其高長(zhǎng)徑比和羥基提供了氫鍵相互作用，且親水性使各種材料具有優(yōu)異的潤(rùn)濕性，這有助于Mxene膜在不同的液體中分散。而且Mxene還可用于改善增強(qiáng)劑(顆粒、纖維)與基體之間的界面相互作用，提高纖維的力學(xué)、熱、抗UV和水熱老化性能(圖3c-e)。
小結(jié)：
這篇文章總結(jié)了近年來(lái)金屬、陶瓷、聚合物基Mxene納米復(fù)合材料在力學(xué)、摩擦學(xué)的研究進(jìn)展。作為納米技術(shù)領(lǐng)域迅速發(fā)展的方向之一，Mxene納米復(fù)合材料在增強(qiáng)力學(xué)性能、抗摩擦等領(lǐng)域具有非常光明的前景，但內(nèi)在機(jī)理的研究仍需要在微觀、宏觀的不同層面、理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究中進(jìn)一步的探索。
