科研進展
蘭州化物所聯(lián)合香港城市大學(xué)在超耐磨高熵納米復(fù)合材料方面獲新進展
在高溫極端服役條件下同時實現(xiàn)低摩擦與超高耐磨性，一直是材料學(xué)與摩擦學(xué)領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)金屬材料在800 °C以上的高溫滑動過程中易因熱軟化與氧化生成脆性碎屑，導(dǎo)致表面開裂、剝落而快速失效。雖然表面氧化物層在一定條件下能提供部分保護，但其脆性和附著力不足，致使在高載荷和長期運行中難以保持穩(wěn)定。因此，如何構(gòu)建一種能夠在摩擦應(yīng)力演化過程中動態(tài)適應(yīng)并實現(xiàn)自修復(fù)的高溫抗磨表層，成為該領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)技術(shù)問題。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點實驗室高溫摩擦學(xué)課題組與香港城市大學(xué)機械工程系先進結(jié)構(gòu)材料課題組，在長期合作基礎(chǔ)上提出了一種基于晶體-非晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)與梯度納米氧化層協(xié)同調(diào)控的高熵納米復(fù)合材料設(shè)計策略。團隊設(shè)計制備了一種Co25Ni23Cr20Fe20Ti6Al4B2高熵納米復(fù)合材料，包含高密度Ti–O富集非晶納米析出相的多級異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在1000 ℃和較高接觸應(yīng)力條件下，該材料表面原位生成微米級厚度的梯度納米釉質(zhì)層，其晶粒尺寸沿深度方向從表面25nm漸增至基體112nm，實現(xiàn)了應(yīng)變逐層協(xié)調(diào)與應(yīng)力有效緩解。得益于這一結(jié)構(gòu)演化，該材料在1000 °C實驗中獲得了-2.3×10-6mm3/Nm的穩(wěn)定負(fù)磨損率與0.26的低摩擦系數(shù)，刷新了金屬基抗磨材料的高溫性能紀(jì)錄。
圖1. Co25Ni23Cr20Fe20Ti6Al4B2高熵納米復(fù)合材料的高密度分級異質(zhì)性結(jié)構(gòu)
圖2. 各類已報道高性能抗磨材料在1000 ℃的摩擦學(xué)性能對比
微結(jié)構(gòu)表征與力學(xué)測試表明，該材料在1000 °C高溫下形成的梯度氧化層展現(xiàn)出顯著的深度依賴性彈塑性能。納米壓痕與微柱壓縮實驗發(fā)現(xiàn)，隨著測試深度增加，該氧化層硬度逐漸下降而彈性模量上升，實現(xiàn)了異質(zhì)性載荷傳導(dǎo)路徑優(yōu)化。晶體-玻璃異質(zhì)基體中的非晶納米析出相在滑動過程中有效抑制了位錯遷移與晶粒粗化，提升了基體的高溫形變穩(wěn)定性。同時，這些納米析出相作為強化點位，激活了滑動面下的微帶與堆垛層錯網(wǎng)絡(luò)，從而促進了表面層的動態(tài)再結(jié)晶。這一從微觀結(jié)構(gòu)到摩擦性能的協(xié)同調(diào)控，突破了傳統(tǒng)金屬在高溫極限下無法維持潤滑性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的瓶頸。
圖3.在1000 ℃摩擦過程中原位形成的梯度納米釉結(jié)構(gòu)
圖4.在800 ℃和1000 ℃下形成的釉質(zhì)層的力學(xué)性能
該成果為極端環(huán)境下摩擦學(xué)材料的設(shè)計提供了新的思路和方法，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。提出的“基于多組分成分波動和結(jié)構(gòu)梯度觸發(fā)磨損自適應(yīng)修復(fù)行為”的協(xié)同機制，不僅可用于燃?xì)廨啓C、高速軸承、航空熱端部件等高溫機械系統(tǒng)，還可拓展至核能裝備、空間探測器及高溫模具等需要長壽命服役的關(guān)鍵部件制造中，對提升我國高端裝備在極端條件下的可靠性具有重要意義。
相關(guān)研究成果以“Ultra-wear-resistant high-entropy nanocomposite through gradient nanograined glaze-layer at 1000 °C”為題，發(fā)表在國際復(fù)合材料領(lǐng)域Composites Part B: Engineering期刊上。論文第一作者為耿鈺山博士（現(xiàn)香港城市大學(xué)博士后），蘭州化物所楊軍研究員和香港城市大學(xué)楊勇教授為共同通訊作者。
該工作得到國家自然科學(xué)基金、香港研究資助局普通項目和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助。
