科研進(jìn)展
蘭州化物所結(jié)構(gòu)功能一體化高溫耐磨材料研究獲新進(jìn)展
陶瓷潤(rùn)滑耐磨材料是解決（超）高溫等苛刻環(huán)境潤(rùn)滑與磨損問(wèn)題的有效途徑之一。傳統(tǒng)陶瓷潤(rùn)滑材料通常在陶瓷基體中引入固體潤(rùn)滑來(lái)實(shí)現(xiàn)特定條件下的減摩和抗磨性能。但固體潤(rùn)滑劑的引入極大破壞基體連續(xù)性從而影響材料的力學(xué)性能，降低服役可靠性。因此，發(fā)展集成力學(xué)可靠、潤(rùn)滑和耐磨功能的高溫結(jié)構(gòu)-功能一體化材料一直是該領(lǐng)域發(fā)展的方向。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤(rùn)滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心基于T2相通過(guò)M位合金化構(gòu)筑策略成功合成了具有面外化學(xué)有序的四元層狀過(guò)渡金屬硼化物MAB相—Ti4MoSiB2陶瓷（圖1），并系統(tǒng)研究了其在寬溫域內(nèi)的力學(xué)性能和摩擦學(xué)行為，研究人員發(fā)現(xiàn)材料原子尺度上的層狀結(jié)構(gòu)在穿晶斷裂時(shí)有效引導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)，改變裂紋擴(kuò)展路徑，提高低溫?cái)嗔秧g性；由于晶粒沿不同方向熱膨脹差異造成晶界的熱失配，進(jìn)而改變了斷裂模式，使材料在室溫至1000℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，同時(shí)賦予了較傳統(tǒng)陶瓷優(yōu)異的損傷容限。與DD5高溫合金對(duì)摩時(shí)在全溫度范圍內(nèi)都具有良好的抗磨性能，尤其在高溫條件下摩擦化學(xué)反應(yīng)生成的具有氧空位TiO2，一定程度上實(shí)現(xiàn)減摩效果，并實(shí)現(xiàn)了“負(fù)磨損”現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)不僅豐富了MAB相材料的基礎(chǔ)理論，也為開(kāi)發(fā)新型高溫結(jié)構(gòu)功能一體化材料提供了重要指導(dǎo)。
圖1. Ti4MoSiB2陶瓷結(jié)構(gòu)及其鍵合分析
圖2.材料晶粒取向、熱膨脹率及力學(xué)性能對(duì)比
圖3.摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物和基于DFT模擬計(jì)算的滑動(dòng)能壘
該研究工作以“Quaternary Layered Boride Ti4MoSiB2: A Structure-Function Integrated High-Temperature Self-Lubricating and Negative-Wear Material”為題發(fā)表在Advanced Materials(2025,2418995)上，蘭州化物所博士生李紅斌為論文第一作者，蘇云峰副研究員、胡天昌副研究員和張永勝研究員為共同通訊作者。
以上研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（XDB0470303）、甘肅省自然科學(xué)基金（25JRRA468）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52303386,12247101）的支持。
