Method matters : optimizing fabrication strategies for Ti3C2Tx - Nb2CTx MXene hybrid coatings

Abstract

Tribologische Kontakte leisten einen wesentlichen Beitrag zum globalen Energieverbrauch und zu den damit verbundenen CO2-Emissionen, vor allem durch Reibungsverluste und verschleißbedingtes Bauteilversagen. Die Verbesserung von Effizienz und Lebensdauer solcher Kontakte ist daher von großem technologischem Interesse, insbesondere in Anwendungen, in denen konventionelle Flüssigschmierstoffe ungeeignet sind. Unter den neuartigen Festschmierstoffen haben zweidimensionale Übergangsmetallcarbide und -nitride (MXene) aufgrund ihrer geschichteten Struktur, ihrer einstellbaren Oberflächenchemie und ihrer vorteilhaften tribologischen Eigenschaften besondere Aufmerksamkeit erlangt. Während Ti3C2Tx MXene intensiv untersucht wurden, sind Nb2CTx MXene sowie hybride MXen-Systeme bislang wenig erforscht.Diese Arbeit untersucht das tribologische Verhalten hybrider Ti3C2Tx–Nb2CTx-MXen- Beschichtungen sowie den Einfluss von Herstellungs- und Konsolidierungsstrategien auf deren Stabilität und Lebensdauer. Der Fokus liegt auf binderfreien Prozessrouten, bei denen die Leistungssteigerung durch Optimierung der Herstellung statt durch chemische Modifikation erreicht wird. Hybride Beschichtungen mit Massenverhältnissen von 25:75, 50:50 und 75:25 (Ti3C2Tx:Nb2CTx) sowie Referenzbeschichtungen aus einzelnen MXenen wurden mittels LuftsprühverfahrenVerfahren oder Tropfguss auf spiegelpolierte X5CrNi18-10-(1.4301-)Edelstahlsubstrate aufgebracht und anschließend kalt- oder heißgepresst.Die Beschichtungen wurden mittels Laser-Scanning-, Rasterelektronen- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie energiedispersiver Röntgenspektroskopie charakterisiert. Tribologische Untersuchungen wurden in linearen reziproken Gleitversuchen gegen einen Al2O3-Gegenkörper bei 1 N Normalkraft durchgeführt, entsprechend einem maximalen Hertz’schen Kontaktdruck von etwa 0,7 GPa. Diese vergleichsweise hohen Belastungen dienten der Bewertung der Haftung und der Tribofilmstabilität. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem die Beschichtungshaftung und strukturelle Integrität die Dauerhaftigkeit bestimmen, während die Schichtdicke eine untergeordnete Rolle spielt.Hybride Beschichtungen, insbesondere mit Nb2CTx-Anteil, zeigten eine höhere Stabilität als Einzel-MXen-Beschichtungen. Eine mechanische Konsolidierung erwies sich als entscheidend, da vorkompaktierte Schichten eine deutlich erhöhte Beständigkeit unter hohen Kontaktpressungen aufwiesen. Damit wird gezeigt, dass allein durch geeignete Herstellungs- und Konsolidierungsstrategien die tribologische Leistungsfähigkeit binderfreier MXen-basierter Schmierstoffe für anspruchsvolle Einsatzbedingungen deutlich verbessert werden kann.

Tribological contacts are major contributors to global energy consumption and associated CO2 emissions, primarily due to frictional losses and wear-induced component failure. Enhancing the efficiency and durability of these contacts is of significant technological interest, especially in scenarios where conventional liquid lubricants are ineffective or impractical. Among emerging solid lubricants, two-dimensional transition-metal carbides and nitrides (MXenes) have garnered considerable attention. Their layered structure, tuneable surface chemistry, and advantageous tribological properties render them promising candidates. Although Ti3C2Tx MXenes have been extensively studied, Nb2CTx MXenes and hybrid combinations of various MXene compositions remain relatively unexplored.This thesis investigates the tribological behaviour of hybrid Ti3C2Tx–Nb2CTx MXene coatings and evaluates the influence of fabrication and consolidation strategies on coating stability and durability. The research emphasises binder-free processing routes to enhance coating performance through fabrication optimisation rather than chemical modification. Hybrid coatings with defined mass ratios (25:75, 50:50, and 75:25 Ti3C2Tx:Nb2CTx), along with single-MXene reference coatings, were deposited on mirror-polished X5CrNi18-10 (1.4301) stainless-steel substrates. Deposition methods included air-spraying and drop-casting, followed by cold- and hot-pressing as consolidation steps.Coating morphology and structural integrity were characterised using laser scanning microscopy, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy, complemented by energy-dispersive X-ray spectroscopy. Tribological testing involved linear reciprocating sliding experiments against an Al2O3 counterbody at a normal load of 1 N, corresponding to a maximum Hertzian contact pressure of approximately 0.7 GPa. These conditions represent more demanding wear and contact-pressure regimes than those typically reported in MXene tribology and were chosen to assess coating adhesion and tribofilm stability. The results indicate that coating adhesion and structural integrity are the primary factors determining durability and lifetime, while coating thickness plays a secondary role. Hybrid coatings, particularly those containing Nb2CTx, exhibited greater stability than single-MXene coatings. Mechanical consolidation proved critical; pre-compacted coatings, such as drop-cast layers followed by cold or hot pressing, demonstrated enhanced resistance to failure under high contact pressures. These findings establish that fabrication and consolidation strategies alone can improve tribological performance, offering a systematic foundation for the development of binder-free MXene-based lubricants suitable for demanding conditions.