方媛 閆嘉琪 孫景齊 韓鵬輝 趙順強 曾立軍 楊杰 朱建鋒

文章編號：2096-398X2024）03-0135-09

（1.陜西科技大學 材料科學與工程學院 陜西省無機材料綠色制備與功能化重點實驗室， 陜西 西安 710021； 2.長慶油田分公司 機械制造總廠， 陜西 西安 710201； 3.陜西科技大學 機電工程學院， 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“手風琴”形貌的Ti3C2Tx MXene，以水性環(huán)氧樹脂、水性環(huán)氧樹脂固化劑以及Ti3C2Tx為原料制備了Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層.通過往復摩擦磨損試驗機和光學數(shù)碼顯微鏡測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，進而探討磨損機理；使用電化學工作站，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)境相對比，人工海水環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層具有更低的摩擦系數(shù)；同時Ti3C2Tx的加入顯著提升了環(huán)氧樹脂涂層的耐腐蝕性能.Ti3C2Tx的添加能夠顯著提高環(huán)氧樹脂涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦學性能.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，當Ti3C2Tx的含量為1.0 wt%時，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)氧樹脂涂層相比，分別降低了65.8%和兩個數(shù)量級.

關鍵詞：Ti3C2Tx； 海水環(huán)境； 摩擦磨損性能； 環(huán)氧樹脂涂層； 磨損機制

中圖分類號：TB37??? 文獻標志碼： 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

海洋設備所涉及的應用領域包括航海船舶、海岸工程以及海防安全等［1-3］.但由于海洋環(huán)境復雜，其中存在大量的微生物以及具有較強腐蝕性的金屬鹽類物質(zhì)，導致海水環(huán)境對海洋設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，導致海水環(huán)境下形成的水潤滑膜強度較差，無法為海洋設備提供有效的潤滑，同時由于水環(huán)境的特殊性，油脂潤滑在海洋設備中很難起到有效的潤滑作用，因此具有良好耐腐蝕性能的潤滑涂層在海洋設備中發(fā)揮著重要作用［7，8］.

以環(huán)氧樹脂為粘結(jié)劑所制備的環(huán)氧樹脂涂層，因其具有良好的力學性能以及優(yōu)異的理化性能，被廣泛運用于航海設備中［9，10］.然而在具有嚴酷腐蝕性的海水環(huán)境中，環(huán)氧樹脂涂層的耐腐蝕性和耐磨性有待進一步提高，研究表明，對環(huán)氧樹脂涂層進行改性，可以有效提升環(huán)氧樹脂涂層的性能［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)氧樹脂涂層，研究表明，當填料的質(zhì)量分數(shù)為6 wt%時，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)氧樹脂涂層中，制備了石墨烯環(huán)氧樹脂復合涂層，研究表明，在海水環(huán)境中，與純環(huán)氧樹脂涂層相比，石墨烯環(huán)氧樹脂復合涂層的阻抗值從1 270 Ωcm2增加到了6.60×107 Ωcm2，極大的提升了環(huán)氧樹脂涂層的耐腐蝕性能.

近年來，MXene作為一種新型的二維材料，受到了研究者們的廣泛關注.MXene是由MAX相材料通過刻蝕其中的A層，所得到的具有類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維層狀材料［14-16］.MXene這種獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)使其具有較弱的層間結(jié)合力，同時MXene在滑動摩擦的過程中，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滑添加劑以提高材料的摩擦學性能［18-20］.Marian M等［21］以Ti3C2Tx作為固體潤滑劑，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數(shù)量級，同時使用壽命延長了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復合涂層，研究表明，復合涂層在浸泡16天后顯示出較高的阻抗模量，同時浸泡30天后涂層仍保持98.55%的高保護效率.因此以MXene作為環(huán)氧樹脂涂層的固體潤滑劑，有望制備出在海水環(huán)境中具有良好防腐耐磨性能的潤滑涂層.

本文基于Ti3C2Tx良好的耐腐蝕以及耐磨性能，設計、制備了Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層，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.在此基礎上制備Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層，分別探討了涂層在去離子水環(huán)境和人工海水環(huán)境下的摩擦學性能，隨后系統(tǒng)研究了Ti3C2Tx的含量對Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦學性能的影響，并通過磨痕分析其磨損機制以及潤滑機理.

1 實驗部分

1.1 樣品制備

1.1.1 Ti3AlC2粉體的制備

以TiC粉體（上海卜微應用材料技術有限公司，純度99.9%，粒徑48 μm）、Al粉（國藥集團化學試劑有限公司，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的摩爾比進行配料，采用真空無壓燒結(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（國藥集團化學試劑有限公司，濃度40%）刻蝕劑中進行剝離，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-恒科學儀器有限公司）中干燥24 h，得到MXene粉體

1.1.3 環(huán)氧樹脂涂層的制備

將水性環(huán)氧樹脂（深圳市吉田化工有限公司，F(xiàn)0704）與水性環(huán)氧樹脂固化劑（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，充分攪拌，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)氧樹脂復合涂料.將涂料進行超聲處理并充分攪拌，使Ti3C2Tx均勻分布.將制備好的Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂復合涂料擦涂在經(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)氧樹脂潤滑涂層，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

本實驗海水環(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試

采用CHI800D型上海辰華電化學工作站對涂層的耐腐蝕性能進行評估.采用HSR-2M型往復摩擦磨損試驗機（蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司），實驗選擇Φ6 mm的Si3N4對偶球（浙江杰奈爾新材料有限公司），采用往復摩擦法，摩擦線速度為0.02 m/s，載荷為3 N，實驗時間為30 min，相同條件下重復實驗至少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）、D/max2200pc型X射線衍射儀（Rigaku，日本）、Renishaw-invia型顯微共焦激光拉曼光譜儀（Renishaw，英國）對材料微觀形貌及物相進行分析.使用Olympus DEX series光學數(shù)碼顯微鏡測量樣品磨痕的橫截面積.樣品的磨損率通過如下公式計算：

Wd=L·SN·v·t（1）

式（1）中：Wd為樣品的磨損率（mm3/Nm）；L為摩擦路徑的長度（mm），本實驗中為5 mm；S為磨痕橫截面積（mm3）；N為載荷（N），本實驗中為3 N；v為相對滑動線速度（m/s），本實驗中為0.02 m/s；t為摩擦實驗時間，本實驗中為30 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti3C2Tx MXene的制備

圖1（a）為真空無壓燒結(jié)制備的Ti3AlC2粉體的微觀形貌，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粉體的微觀形貌，可以觀察到類似“手風琴”的層狀結(jié)構(gòu).

圖2（a）為經(jīng)HF刻蝕前后的Ti3AlC2的XRD對比圖譜，可以看出，（104）晶面對應的特征峰消失，這表明Ti-Al鍵已斷裂；圖2（b）為Ti3C2Tx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)氧樹脂涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦學行為

圖3為人工海水和去離子水環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層的摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線和平均磨損率.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，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)氧樹脂涂層的摩擦系數(shù)較高且摩擦系數(shù)曲線波動較大，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，導致Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層的磨損率有所提升［24］.

圖4為不同環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層磨斑表面的SEM圖.圖5為不同環(huán)境下Ti3C2Tx環(huán)氧樹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，磨斑表面觀察到了連續(xù)的摩擦膜，同時磨斑表面存在大量的凹坑和分層現(xiàn)象，此時疲勞磨損為主要的磨損機理.由拉曼圖譜分析可知，涂層磨斑表面的摩擦膜主要由環(huán)氧樹脂以及Ti3C2Tx組成，這表明，摩擦過程中Ti3C2Tx并未發(fā)生化學反應.人工海水環(huán)境下，磨斑表面可以觀察到沿載荷滑動方向的犁溝.通過EDS分析，磨斑表面存在大量來自人工海水環(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，生成低摩擦系數(shù)的潤滑相，從而起到潤滑作用［25］.通過拉曼圖譜分析可得，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等鹽類屬于典型的分子淤泥狀物質(zhì)，具有一定的邊界潤滑作用，同時鹽類物質(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性能［26］.

2.3 Ti3C2Tx改性環(huán)氧樹脂涂層的耐腐蝕性能

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

[JP+2]圖6（b）為人工海水環(huán)境下，純環(huán)氧樹脂和Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層在靜態(tài)條件下的動電位極化曲線.通過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)氧樹脂涂層相比，Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層的開路電位提升了83.3%，同時腐蝕電流密度下降了一個數(shù)量級.以上結(jié)果表明，Ti3C2Tx的添加有效提升了環(huán)氧樹脂涂層的耐腐蝕性能.

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

圖7（b）為人工海水環(huán)境中Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂在僅腐蝕狀態(tài)和腐蝕摩擦試驗條件下的動電位極化曲線，可以看出，摩擦副與涂層未接觸時，涂層的極化曲線較為平穩(wěn)，隨著摩擦磨損試驗的開始，涂層的腐蝕電流密度發(fā)生了明顯的震蕩現(xiàn)象，這是由于摩擦過程中涂層表面的鈍化膜局部破壞及再鈍化導致的［25］.通過塔菲爾外推法擬合獲得滑動條件和靜態(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.

為了進一步探究Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層的耐腐蝕機理，將環(huán)氧樹脂涂層與Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層在人工海水環(huán)境下浸泡7天，并對浸泡后涂層的表面進行了表征.圖8為環(huán)氧樹脂涂層和Ti3C2Tx環(huán)氧樹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)氧樹脂涂層在人工海水中出現(xiàn)了明顯的起皺現(xiàn)象，導致了涂層對基底的保護作用消失.與環(huán)氧樹脂涂層相比，Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層在浸泡7天后，表面形貌平整，通過EDS分析，涂層表面被人工海水中的鹽類物質(zhì)覆蓋，這表明，Ti3C2Tx環(huán)氧樹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)果進一步說明了，與環(huán)氧樹脂涂層相比，Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層具有更好的耐腐蝕性能.

2.4 Ti3C2Tx含量對環(huán)氧樹脂涂層在人工海水環(huán)境下的摩擦學性能的影響

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)氧樹脂涂層的摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線.可以看出，純環(huán)氧樹脂涂層摩擦過程中跑合期較長，約為20 min，且摩擦系數(shù)曲線波動較大.磨損率相對較高，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.當Ti3C2Tx含量在0.5 wt%時，涂層的摩擦系數(shù)較純環(huán)氧樹脂涂層有明顯降低且極為平穩(wěn).當Ti3C2Tx含量為1.0 wt%時，涂層的摩擦系數(shù)進一步降低，平均摩擦系數(shù)可低至0.13，較純環(huán)氧樹脂涂層降低了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，當Ti3C2Tx含量為1.5 wt%時，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.當Ti3C2Tx含量為1.0 wt%時，涂層的磨損率最低，為4.99×10-5 mm3/Nm，較純環(huán)氧樹脂涂層降低了2個數(shù)量級.

圖10（a）、（b）為純環(huán)氧樹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)氧樹脂屬于典型的脆性材料，因此在外力的作用下，環(huán)氧樹脂中的大分子鏈易發(fā)生斷裂，導致材料出現(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，此時磨粒磨損為主要的磨損機理.

圖10（c）、（d）為0.5 wt%Ti3C2Tx環(huán)氧樹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)生平行于載荷滑動方向的犁溝，同時由于人工海水環(huán)境中，涂層發(fā)生了腐蝕磨損，導致磨斑表面出現(xiàn)了大量的腐蝕坑，此時磨粒磨損和腐蝕磨損為主要的磨損機理.由于環(huán)氧樹脂與Ti3C2Tx具有良好的界面相互作用，導致Ti3C2Tx易與環(huán)氧樹脂中的大[HJ2.1mm]分子鏈發(fā)生物理或化學耦合，因此Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層中的Ti3C2Tx，可以使涂層承受更高的外來載荷［28］.此外，由于填料的改性，在摩擦磨損過程中，摩擦副之間容易形成轉(zhuǎn)移膜，避免或減輕了對摩副之間接觸，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)氧樹脂涂層相比，磨斑表面疲勞裂紋消失，同時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，當裂紋發(fā)展至Ti3C2Tx處被鈍化，導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，黏著磨損為此時主要的磨損機理.圖10（g）、h）為1.5 wt%Ti3C2Tx環(huán)氧樹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Ti3C2Tx含量為1.5 wt%時，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)了一定程度的團聚傾向，填料與基底的結(jié)合力減弱，因此涂層在摩擦的過程中，產(chǎn)生了大面積層狀脫落現(xiàn)象，此外由于應力集中效應，導致在摩擦的過程中，Ti3C2Tx團聚處易產(chǎn)生大量的疲勞裂紋，導致此時涂層的摩擦系數(shù)和磨損率較高［29］.

圖11為Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層在人工海水環(huán)境下的磨損機理示意圖.環(huán)氧樹脂粘結(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)氧樹脂結(jié)構(gòu)中的間隙，同時比表面積較大的二維層狀Ti3C2Tx使腐蝕物質(zhì)的擴散曲徑延長，阻止了來自人工海水環(huán)境中的鹽類物質(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組成的潤滑膜，由于CaCO3、MgCO3等鹽類具有良好的潤滑性能，同時人工海水環(huán)境下的Cl-離子易于磨屑中的Ti元素反應，生成低摩擦系數(shù)的潤滑相，因此人工海水環(huán)境下，Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層具有良好的摩擦學性能.

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

（3）人工海水環(huán)境下，Ti3C2Tx環(huán)氧樹脂涂層的摩擦系數(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，當Ti3C2Tx含量為1 wt%時，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)氧樹脂相比，分別降低了65.8%和兩個數(shù)量級.隨著環(huán)氧樹脂涂層中Ti3C2Tx含量的增加，在人工海水環(huán)境下，涂層的磨損機理由嚴重的磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp.

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【責任編輯：蔣亞儒】

基金項目：國家自然科學基金項目（51705300）； 中國博士后科學基金項目（2018M643559）； 陜西省科技廳自然科學基礎研究計劃項目（2022JM-267）； 陜西省教育廳專項科研計劃項目（21J0537）； 陜西科技大學博士科研啟動基金項目（2017BJ-05）

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