金属铜由于具备良好的导电性和导热性,因而在工业领域得到广泛使用。由于自身力学性能及减摩耐磨性能较差,使其应用范围受到了限制。因此提高铜基体的力学性能与减摩耐磨性能成为近年来材料科学与工程领域的研究热点。目前主要的解决方法有:①铜基体中添加陶瓷颗粒,得到陶瓷颗粒增强铜基复合材料,这种铜基复合材料既保持了铜合金优异的导电导热性能,又拥有陶瓷材料的高硬度与高耐磨性等特点,从而使其在电接触材料,热管理材料和滑动轴承材料等应用中显示出巨大的潜力。②碳材料增强铜基复合材料,通过添加石墨烯,碳纳米管等重量轻且不影响其热导率和电导率的碳材料增强相,可以克服铜高密度和低硬度的缺点。③在铜基体表面沉积一层自润滑薄膜作为固体润滑涂层,不仅能有效提高铜的减摩耐磨性能,也能保持金属铜的导电性导热性不受损害。应当指出的是,上述方法都会继承单一强化相存在的缺陷,例如陶瓷材料带来的脆性、纳米碳材料的团聚等等,进而影响材料的性能。近年来的研究表明,MXene作为一种新型的二维纳米材料,主要以二维过渡金属碳化物或氮化物晶体为主,具有与石墨烯相似的二维片状结构,而且其力学性能也与石墨烯类似,都具有优异的承载能力与机械强度,可以作为理想的金属强化相,然而将其应用于减摩领域的研究还鲜见报道。为了有效提高铜基材料的减摩耐磨性能。本研究从制备具有良好减摩耐磨性能的新型铜基复合材料以及在铜基材料表面制备自润滑固体润滑涂层两个方向着手,探讨了氧化石墨烯-To3AlC2多元协同增强铜基复合材料制备、类石墨烯二维材料涂层制备、二维Ti3C2基异质结构涂层制备以及它们的减摩耐磨行为等方面开展了系统研究,采用XRD、SEM、TEM以及拉曼光谱等手段对所制备的材料进行了分析与表征,主要创新性工作如下:(1)通过将核-壳结构的Cu/氧化石墨烯(GO)/Cu复合粉体和表面化学镀铜修饰的Ti3AlC2颗粒混合后热压烧结,制备出氧化石墨烯-Ti3AlC2多元协同增强的铜基复合材料。实验表明这种复合材料比单独添加氧化石墨烯或Ti3AlC2陶瓷颗粒增强的复合材料表现出更低的摩擦因数和磨损率。其磨损机理为轻微疲劳磨损。相比较之下,单一氧化石墨烯增强铜基复合材料的磨损机理为黏着磨损和磨粒磨损,单一Ti3AlC2陶瓷增强铜复合材料对应的磨损机理为磨粒磨损和疲劳磨损。阐明了这种减摩耐磨性能的改善归因于氧化石墨烯和Ti3AlC2的协同强化作用。氧化石墨烯和Ti3AlC2陶瓷颗粒协同承担载荷并提高了复合材料的强度,有效地阻止了复合材料的黏着磨损并减少了磨粒磨损的发生,从而降低了磨损率。此外,氧化石墨烯自身良好的减摩耐磨特性配合Ti3AlC2在摩擦过程中原位产生的摩擦氧化产物,能在摩擦副接触面上协同形成致密、连续且具有低临界剪切应力特征的摩擦层,从而降低了摩擦因数。实验还表明,通过对粉末以及强化相的特殊设计,可以控制强化相在基体内的分布,减轻石墨烯强化相的团聚倾向,改善金属陶瓷强化相与铜基体之间的界面结合能力,从而最大程度的发挥出两种强化相在滑动摩擦过程中的协同强化作用。(2)通过刻蚀金属陶瓷Ti3AlC2以及后续插层剥离,制备出具有类石墨烯结构的Ti3C2二维材料,通过简单的滴涂法在铜基底表面制备了 Ti3C2涂层。研究了普通大气环境和真空环境下Ti3C2固体润滑涂层的摩擦磨损行为。结果表明,在大气环境中,涂覆Ti3C2固体润滑涂层的黄铜片的摩擦因数非常低,约为无涂层对照组的1/6,其磨损率大幅降低,约为无涂层对照组磨损率的1/16,摩擦过程中非常稳定,表明具涂层有优良的抗震减震性能。利用拉曼光谱分析了不同对磨阶段中转移膜的变化。发现原本拉曼光谱中的Ti-C特征峰随着对磨时间的增加而逐渐消失,且出现了碳材料的特征峰D、G峰和2D峰,表明Ti3C2的润滑机理为:在普通大气环境滑动摩擦过程中,Ti3C2发生石墨化转变,生成具有润滑效果的富含石墨碳的转移膜,在起着润滑作用的同时,也有效阻隔了对磨球与金属基底之间的直接接触。在真空环境下,Ti3C2涂层摩擦因数比大气环境下略有提高,提升至0.25,但对比于无涂层对照组的摩擦因数数值降低了 60%,且对磨球上仍生成富含石墨碳的转移膜,说明Ti3C2涂层在真空环境也保持了良好的减摩性能。该环境下涂层的磨损机理表现为轻微疲劳磨损和磨粒磨损。(3)为了提高Ti3C2在滑动摩擦过程中的稳定性以适应不同的服役环境,利用异质结构涂层具有更低的摩擦阻力的特点,通过简便的喷涂法成功制备了具有更高稳定性的Ti3C2/GO异质结构涂层。在普通大气环境下,所制备的异质结构涂层表现出与氧化石墨烯相当的自润滑性能和减摩耐磨性能。在干燥氮气气氛下,与单纯氧化石墨烯涂层相比,Ti3C/GO异质结构涂层的摩擦因数低了 25%,磨损率约为氧化石墨烯涂层的1/100。减摩耐磨性能的提升可归因于GO和Ti3C2的协同润滑作用以及异质结构所具有的较高稳定性,因为在滑动摩擦过程中,Ti3C2/GO异质结构涂层依旧保持原有的二维材料特征结构,且能生成富含石墨碳的转移膜以及连续且均匀分布的摩擦层,具有低临界剪应力的摩擦层分散了在滑动摩擦过程中产生的剪应力,并阻隔了对磨球与金属基底之间的直接接触,因而减轻了摩擦过程中产生的粘着磨损与磨粒磨损,降低了磨损率和摩擦因数。(4)利用Ti3C2与GO带负电的羟基与金属铜离子的结合,在铜粉上原位制备出Ti3C2/GO异质结构强化相,通过后续真空热压烧结,得到10%Ti3C2/1%GO/Cu复合材料。该复合材料在滑动摩擦过程中体现了优异的减摩耐磨性能。与纯铜对相比,10%Ti3C2/1%GO/Cu复合材料的摩擦因数数值降低了 40%,且摩擦因数曲线平稳,主要磨损机制为轻微的疲劳剥落。减摩耐磨性能的改善是由于GO和Ti3C2的协同润滑作用以及异质结构所具有的较高稳定性。在滑动摩擦过程中,10%Ti3C2/1%GO/Cu复合材料的磨痕内能发现连续且均匀分布的富含石墨碳的摩擦层,这种低临界剪切应力的摩擦层有效分散了在滑动摩擦过程中产生的剪应力,隔开了对磨球与金属基底之间的直接接触,起到了良好的减摩作用,因而降低了摩擦过程中产生粘着磨损与磨粒磨损的几率。实验发现对磨球上未生成转移膜,且有一定磨损率,但磨损面相对光滑,说明10%Ti3C2/1%GO/Cu复合材料的硬度得到提高,在提高的自润滑性能的同时,提升了力学性能。