美国密苏里州立科技大学开发可减少太空飞行器磨损飞新型材料

NASA“毅力号”火星车继续其探索火星的旅程,而地球上的科学家已经开发出一种新型的纳米金属碳化物材料,这种碳化物可以作为“超级润滑剂”,减少未来类似“毅力号”探测器的磨损。

密苏里州立科学技术大学化学系与美国阿贡国家实验室纳米材料研究中心的研究人员利用一类名为MXenes的二维纳米材料开展研究工作。研究人员发现这种材料可以更好地减少摩擦。负责这项研究的密苏里州立科技大学的化学系副教授Vadym Mochalin博士表示,这种材料在极端环境下的性能优于传统的油基润滑剂。

这类超级润滑材料在极端条件下先进的抗磨损和润滑特性,对于一些特定应用具有极大吸引力,例如目前正在如火如荼进行工作的火星探测器。Vadym Mochalin博士和他的同事在2021年3月版的《今日材料》期刊中发表的题为“使用二维过渡金属碳化物(MXenes)和MXene/石墨烯涂层实现超润滑”的论文中,详细叙述了课题研究成果

当探测器在火星上着陆时,如果其中一个轮子的润滑剂失效了怎么办?Vadym Mochalin博士表示正是由于这种需求,针对MXene这种二维材料研究可以与之产生联系,因为研究人员刚刚发现了MXene在缺氧和湿气的环境中能够展现出超润滑性,而这种环境正好与火星上的环境相似

MXenes是一种具有杰出性能的金属碳化物二维材料。例如,这种材料具有优异的导电能力,能够成为储能、传感和光电领域的候选材料。在最新研究中,Mochalin团队进行了一系列测试,确定了MXenes在某些材料中作为固态润滑剂的性能表现。

研究人员通过将碳化钛MXene沉积在硅基底平面上,从而在纳米尺度上进行了圆盘摩擦试验,该硅基底表面涂覆了一层薄薄的二氧化硅(二氧化硅是沙石的主要成分)。随后通过将像钻石一样坚硬的涂覆钢球在MXene表面滑动来测试MXene的耐磨损能力。研究人员在干燥的氮气环境中进行上述测试,明显降低了湿度。测试发现,钢球和涂覆二氧化硅圆盘间的MXene界面在“超润滑状态”下形成的摩擦系数从0.0067最低可低至0.0017。摩擦系数是指两个对象之间的摩擦量,通常由0到1之间的值决定。该值越小,摩擦力越小。

当将石墨烯添加到碳化钛MXene中时,取得了更好的结果。研究人员在论文中表示,添加石墨烯可以“将摩擦进一步降低了37.3%,将磨损降低了2倍”,且不会影响MXene超润滑性能。这些研究结果为探索在各种摩擦学应用MXene系列材料创造了新的额能。摩擦学是对两种以上物体相互作用表面产生的摩擦、磨损和润滑情况的研究。

尽管这类超级润滑剂可能被证明对于在外星环境中的工作的设备或机器(如火星探测器、小行星采矿设备等)有应用价值,但这种材料也可能具有更大的实用价值。与油基润滑剂不同,MXenes的原料不需依赖非可再生能源,如煤炭或石油。