Nb2CTx MXene 強化により促進されたマグネシウムの微細構造と機械的特性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14289 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

この研究では、Nb2CTx MXene で強化された市販の純粋なマグネシウム複合材料が、従来のブレンド-プレス-焼結技術を使用して加工されました。 追加された 1 体積パーセントの Nb2CTx MXene は、散発的なクラスター形成があるにもかかわらず、マグネシウム粒子の周囲にかなり分散されました。 Nb2CTx MXene 強化材は安定しており、マグネシウム マトリックスとの欠陥のない強力な界面結合が発達しました。 化学的に適合性があり、熱的に安定な少量の Nb2CTx MXene 強化材は、商業的に純粋なマグネシウムのバルク硬度、圧縮降伏強さ、圧縮強度、延性、破壊靱性を向上させることに成功しました。

マグネシウム (Mg) は、地殻や海水中に豊富に存在する元素の 1 つです。 マグネシウムベースの材料は、その低密度と優れた機械的特性でよく知られており、航空宇宙、防衛、自動車、スポーツから消費者製品に至るまで、さまざまな工学用途の魅力的な候補となっています1、2、3、4。 しかし、それらは固有の耐食性が低く、剛性、強度、延性が低いため、構造用途での使用が制限されることがよくあります。 近年、研究者らは、Mg 合金の機械的特性を向上させるために、さまざまな酸化物セラミック、カーボン ナノチューブ、グラフェンなどの非常に微細な強化材料の使用を研究しています5、6、7、8、9、10。 しかし、その中でも最も有望な強化素材の一つがMXene11,12,13です。

MXene は、式 Mn+1XnTx を持つ遷移金属の炭化物と窒化物で構成される新しい二次元 (2D) 材料ファミリーです。ここで、M は遷移金属、X は炭素または窒素、T は表面終端基 ( O、OH、F および/または Cl)、n は整数です14、15、16。 MXene の遷移金属の n + 1 層に挟まれた炭素原子または窒素原子の n 層は、フッ化水素酸またはその他の強力なエッチングを使用して MAX 相の A (主に周期表の IIIA 族または IVA 族の元素) 元素を選択的にエッチングすることによって生成されます。酸。 得られたMXene材料は層状構造をしており、簡単に剥離して薄い二次元シートにすることができます。 A 元素は、遷移金属の炭化物および/または窒化物を層状 MAX 相構造内に保持する接着剤として機能します。 2011 年に最初の MXene、つまり Ti3C2Tx が発明されて以来、研究者は 60 以上の MXene 組成 15, 17 を開発し、100 以上の可能性のある MXene 組成を計算によって予測しました 15, 18。 強力な化学的安定性、効率的な電磁波吸収容量、高い電気伝導率、そして優れた機械的特性により、MXene は金属マトリックス複合材を含むさまざまな用途の強化材料として有望です。

近年、研究者らは、アルミニウム 20、21、銅 22、23、24、25、ニッケル 26、チタン 27、マグネシウム合金 11、12 を含むさまざまな金属の強化材として MXene の使用を研究し、広範囲に改良された金属マトリックス複合材料を製造しました。金属の性質。 粉末冶金法を使用してマグネシウム合金 ZK61 に MXene を添加すると、圧縮降伏強さ、極限圧縮強さ、延性などの機械的特性が大幅に向上しました。 しかし、利用可能な幅広い MXene が多数の既知のマグネシウムベースの材料に及ぼす影響を理解することは、MXene 強化マグネシウム合金の報告された 1 つの配合、つまり ZK61-Ti3C2Tx から予測することはできません。 したがって、従来のブレンド-プレス-焼結（BPS）粉末冶金プロセスを使用して、社内で開発されたNb2CTx MXenesで市販の純粋なマグネシウムを強化する研究に主導権が取られました。 物理的にブレンドされたマグネシウム-Nb2CTx MXenes 複合粉末を圧縮および焼結して、微細構造に対する MXene 強化の効果と、その後の市販の純粋なマグネシウムの機械的特性を研究しました。