Il rinforzo Nb2CTx MXene ha stimolato la microstruttura e le proprietà meccaniche del magnesio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14289 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, il composito di magnesio commercialmente puro rinforzato con Nb2CTx MXene è stato lavorato utilizzando la tradizionale tecnica di fusione-pressa-sinterizzazione. La percentuale in volume aggiunta di Nb2CTx MXene era abbastanza dispersa attorno alle particelle di magnesio nonostante presentasse raggruppamenti sporadici. Il rinforzo Nb2CTx MXene era stabile e ha sviluppato un forte legame interfacciale privo di difetti con la matrice di magnesio. La piccola quantità di rinforzo Nb2CTx MXene chimicamente compatibile e termicamente stabile è riuscita a migliorare la durezza apparente e la resistenza allo snervamento a compressione, la resistenza alla compressione, la duttilità e la resistenza alla frattura del magnesio commercialmente puro.

Il magnesio (Mg) è uno degli elementi abbondantemente disponibili nella crosta terrestre e nell'acqua di mare. I materiali a base di magnesio sono ben noti per la loro bassa densità e le eccellenti proprietà meccaniche, che li rendono un candidato interessante per varie applicazioni ingegneristiche1,2,3,4 che vanno dal settore aerospaziale, della difesa, automobilistico, sportivo fino ai prodotti di consumo. Tuttavia, la loro intrinseca scarsa resistenza alla corrosione e la bassa rigidità, resistenza e duttilità spesso limitano il loro considerevole utilizzo nelle applicazioni strutturali. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno studiato l’uso di materiali di rinforzo estremamente fini, tra cui diversi ossidi ceramici, nanotubi di carbonio e grafene, per migliorare le proprietà meccaniche delle leghe di Mg5,6,7,8,9,10. Tuttavia, uno dei materiali di rinforzo più promettenti tra questi è MXene11,12,13.

Gli MXeni sono una nuova famiglia di materiali bidimensionali (2D) composti da carburi e nitruri di metalli di transizione con una formula di Mn+1XnTx, dove M è un metallo di transizione, X è carbonio o azoto, T è un gruppo di terminazione superficiale (come O, OH, F e/o Cl) e n è un numero intero14,15,16. Gli n strati di atomi di carbonio o azoto sono intercalati in n + 1 strati di metalli di transizione nell'MXene e sono prodotti attaccando selettivamente l'elemento A (principalmente elementi del gruppo IIIA o IVA della tavola periodica) delle fasi MAX utilizzando acido fluoridrico o altri elementi forti acidi. I materiali MXene risultanti hanno una struttura stratificata e possono essere facilmente delaminati in sottili fogli bidimensionali. Gli elementi A fungono da collante per tenere insieme i carburi e/o i nitruri dei metalli di transizione nella struttura della fase MAX stratificata. I ricercatori hanno sviluppato più di sessanta composizioni di MXene15, 17 e previsto computazionalmente più di cento potenziali composizioni di MXene15, 18 dall'invenzione del primo MXene, ovvero Ti3C2Tx, nel 201119. Forte stabilità chimica, efficiente capacità di assorbimento delle onde elettromagnetiche, elevata conduttività elettrica ed eccellente le proprietà meccaniche hanno reso MXene materiali di rinforzo promettenti per varie applicazioni, compresi i compositi a matrice metallica.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno studiato l'uso di MXene come materiale di rinforzo in vari metalli tra cui alluminio20, 21, rame22,23,24,25, nichel26, titanio27 e leghe di magnesio11, 12 e hanno prodotto compositi a matrice metallica con un'ampia gamma di miglioramenti proprietà dei metalli. L'aggiunta di MXene alla lega di magnesio ZK61 utilizzando un metodo di metallurgia delle polveri ha migliorato significativamente le proprietà meccaniche, tra cui la resistenza allo snervamento a compressione, la resistenza alla compressione finale e la duttilità. Tuttavia, non è possibile prevedere l'effetto dell'ampia gamma di MXene disponibile sul gran numero di materiali noti a base di magnesio dalla formulazione riportata della lega di magnesio rinforzata con MXene, ovvero ZK61-Ti3C2Tx. Pertanto, è stata presa l'iniziativa di studiare per rinforzare il magnesio commercialmente puro con Nb2CTx MXenes sviluppati internamente utilizzando il tradizionale processo di metallurgia delle polveri blend-press-sinter (BPS). La polvere composita di magnesio-Nb2CTx MXenes miscelata fisicamente è stata compattata e sinterizzata per studiare l'effetto del rinforzo di MXene sulla microstruttura e le conseguenti proprietà meccaniche del magnesio commercialmente puro.