Le renforcement Nb2CTx MXene stimule la microstructure et les propriétés mécaniques du magnésium

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 14289 (2023) Citer cet article

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Dans cette étude, le composite de magnésium commercialement pur renforcé Nb2CTx MXene a été traité à l'aide de la technique traditionnelle de mélange-presse-frittage. Le pourcentage en volume ajouté de Nb2CTx MXene était assez dispersé autour des particules de magnésium malgré un regroupement sporadique. Le renfort Nb2CTx MXene était stable et développait une forte liaison interfaciale sans défaut avec la matrice de magnésium. La petite quantité de renfort Nb2CTx MXène chimiquement compatible et thermiquement stable a réussi à améliorer la dureté globale et la limite d'élasticité en compression, la résistance à la compression, la ductilité et la ténacité du magnésium commercialement pur.

Le magnésium (Mg) est l'un des éléments abondamment disponibles dans la croûte terrestre et dans l'eau de mer. Les matériaux à base de magnésium sont bien connus pour leur faible densité et leurs excellentes propriétés mécaniques, ce qui en fait un candidat attrayant pour diverses applications d'ingénierie1,2,3,4 allant de l'aérospatiale, de la défense, de l'automobile, du sport aux produits de consommation. Cependant, leur faible résistance inhérente à la corrosion et leur faible rigidité, résistance et ductilité limitent souvent leur utilisation considérable dans les applications structurelles. Ces dernières années, les chercheurs ont étudié l’utilisation de matériaux de renforcement extrêmement fins, notamment différentes céramiques d’oxydes, des nanotubes de carbone et du graphène, pour améliorer les propriétés mécaniques des alliages de magnésium5,6,7,8,9,10. Cependant, l’un des matériaux de renforcement les plus prometteurs parmi eux est le MXene11,12,13.

Les MXènes sont une nouvelle famille de matériaux bidimensionnels (2D) composés de carbures et de nitrures de métaux de transition avec une formule Mn+1XnTx, où M est un métal de transition, X est le carbone ou l'azote, T est un groupe de terminaison de surface (tel que O, OH, F et/ou Cl), et n est un nombre entier14,15,16. Les n couches d'atomes de carbone ou d'azote entrelacées dans n + 1 couches de métaux de transition dans le MXène et sont produites par gravure sélective de l'élément A (principalement des éléments du groupe IIIA ou IVA du tableau périodique) des phases MAX à l'aide d'acide fluorhydrique ou d'autres éléments forts. acides. Les matériaux MXene résultants ont une structure en couches et peuvent être facilement délaminés en fines feuilles bidimensionnelles. Les éléments A agissent comme de la colle pour maintenir les carbures et/ou nitrures de métaux de transition ensemble dans la structure de phase MAX en couches. Les chercheurs ont développé plus de soixante compositions de MXène15, 17 et ont prédit par calcul plus d'une centaine de compositions potentielles de MXène15, 18 depuis l'invention du premier MXène, c'est-à-dire Ti3C2Tx, en 201119. Forte stabilité chimique, capacité d'absorption efficace des ondes électromagnétiques, conductivité électrique élevée et excellente Les propriétés mécaniques ont fait du MXene un matériau de renforcement prometteur pour diverses applications, y compris les composites à matrice métallique.

Ces dernières années, les chercheurs ont étudié l'utilisation du MXène comme matériau de renforcement dans divers métaux, notamment l'aluminium20, 21, le cuivre22,23,24,25, le nickel26, le titane27 et l'alliage de magnésium11, 12, et ont produit des composites à matrice métallique avec une large gamme d'améliorations. propriétés des métaux. L'ajout de MXène à l'alliage de magnésium ZK61 à l'aide d'une méthode de métallurgie des poudres a considérablement amélioré les propriétés mécaniques, notamment la limite d'élasticité en compression, la résistance ultime à la compression et la ductilité. Cependant, la compréhension de l'effet d'une large gamme de MXène disponible sur le grand nombre de matériaux à base de magnésium connus ne peut pas être prédite à partir de la formulation rapportée d'alliage de magnésium renforcé de MXène, à savoir ZK61-Ti3C2Tx. Par conséquent, l’initiative a été prise dans le cadre d’une étude visant à renforcer le magnésium commercialement pur avec des MXènes Nb2CTx développés en interne à l’aide du processus traditionnel de métallurgie des poudres mélange-presse-frittage (BPS). La poudre composite magnésium-Nb2CTx MXenes physiquement mélangée a été compactée et frittée pour étudier l'effet du renforcement du MXene sur la microstructure et les propriétés mécaniques qui en découlent du magnésium commercialement pur.