科研進(jìn)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(jìn)展
在高溫極端服役條件下同時(shí)實(shí)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(dòng)過(guò)程中易因熱軟化與氧化生成脆性碎屑，導(dǎo)致表面開(kāi)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(hù)，但其脆性和附著力不足，致使在高載荷和長(zhǎng)期運(yùn)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(guò)程中動(dòng)態(tài)適應(yīng)并實(shí)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(wèn)題。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫摩擦學(xué)課題組與香港城市大學(xué)機(jī)械工程系先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料課題組，在長(zhǎng)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(jì)策略。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jí)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(jí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jí)異質(zhì)性結(jié)構(gòu)
圖2. 各類已報(bào)道高性能抗磨材料在1000 ℃的摩擦學(xué)性能對(duì)比
微結(jié)構(gòu)表征與力學(xué)測(cè)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)試深度增加，該氧化層硬度逐漸下降而彈性模量上升，實(shí)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(dòng)過(guò)程中有效抑制了位錯(cuò)遷移與晶粒粗化，提升了基體的高溫形變穩(wěn)定性。同時(shí)，這些納米析出相作為強(qiáng)化點(diǎn)位，激活了滑動(dòng)面下的微帶與堆垛層錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，從而促進(jìn)了表面層的動(dòng)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(wú)法維持潤(rùn)滑性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的瓶頸。
圖3.在1000 ℃摩擦過(guò)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(jì)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(dòng)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(jī)制，不僅可用于燃?xì)廨啓C(jī)、高速軸承、航空熱端部件等高溫機(jī)械系統(tǒng)，還可拓展至核能裝備、空間探測(cè)器及高溫模具等需要長(zhǎng)壽命服役的關(guān)鍵部件制造中，對(duì)提升我國(guó)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金、香港研究資助局普通項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。
