類(lèi)金剛石材料因超高的硬度和自潤(rùn)滑能力而展現(xiàn)出極佳的摩擦磨損性能。然而，受濕度、溫度、氣氛等環(huán)境因素和尺寸的限制，類(lèi)金剛石材料的應(yīng)用局限于涂層和復(fù)合材料的填充劑。
相比類(lèi)金剛材料，金屬的應(yīng)用更加廣泛。但金屬的硬度往往較低，缺乏自潤(rùn)滑能力，大部分金屬材料的摩擦磨損性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)遜色于類(lèi)金剛石材料。在金屬材料中獲得金剛石般的摩擦磨損性能將極大地拓寬耐磨材料的選擇范圍。
非晶合金保留了液態(tài)熔體的無(wú)序原子結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)金屬，非晶合金表面呈現(xiàn)類(lèi)似液體的性質(zhì)，從而出現(xiàn)自潤(rùn)滑效應(yīng)，使得許多非晶合金展現(xiàn)出接近類(lèi)金剛石材料的摩擦系數(shù)（COFs<0.2）。
非晶合金的高強(qiáng)度也使其具有良好的磨損抗性，磨損率Ws約為10-5-10-6mm3/Nm。這一磨損率雖然遠(yuǎn)低于常見(jiàn)金屬材料，但和類(lèi)金剛石材料約為10-6-10-9mm3/Nm的磨損率相比仍然很高。降低非晶合金磨損率的關(guān)鍵在于提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和斷裂韌性。
令人遺憾的是，大部分非晶合金因?yàn)椴ＡмD(zhuǎn)變溫度和晶化溫度低而在高速往復(fù)摩擦過(guò)程中容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)弛豫或晶相的析出，導(dǎo)致局部裂紋的產(chǎn)生，磨損抗性隨之降低。因此，尋找結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、韌性良好的非晶合金是提高摩擦磨損性能的重要途徑。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心柳延輝、汪衛(wèi)華團(tuán)隊(duì)前期基于材料基因工程理念，發(fā)展了高通量實(shí)驗(yàn)方法，開(kāi)發(fā)出高溫塊體非晶合金（Nature , 2019, 569, 99），發(fā)現(xiàn)了非晶合金形成能力的新判據(jù)（Nature Materials 2022, 21, 165），為非晶合金新材料高效研發(fā)提供了有利工具。
圖1 高通量力學(xué)表征輔助高強(qiáng)度、高裂紋抗性非晶合金的快速搜尋
近期，該團(tuán)隊(duì)的李福成博士在柳延輝、汪衛(wèi)華研究員的指導(dǎo)下，針對(duì)非晶合金的力學(xué)性能設(shè)計(jì)了高通量表征方法（圖1），結(jié)合前期發(fā)展的高通量制備和非晶篩選技術(shù)，研發(fā)出摩擦系數(shù)、磨損率均和類(lèi)金剛石材料相當(dāng)?shù)某湍ジ邷胤蔷Ш辖?/span>。
團(tuán)隊(duì)選擇Ir-Ni-Ta高溫非晶合金體系為突破口。該合金體系具有良好的非晶形成能力和高玻璃轉(zhuǎn)變溫度，能夠克服非晶合金在摩擦過(guò)程中的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題。此外，該合金體系展現(xiàn)的高強(qiáng)度、高硬度等特點(diǎn)也有助于提高磨損抗力。但難點(diǎn)在于如何在該合金體系內(nèi)獲得韌性較好的成分，從而降低摩擦過(guò)程中裂紋產(chǎn)生的可能性。團(tuán)隊(duì)利用前期發(fā)展的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)制備了同時(shí)含有大量合金成分的組合樣品，確定了非晶形成成分范圍。
基于非晶合金剪切變形的特點(diǎn)以及剪切帶數(shù)量和材料韌性之間的關(guān)聯(lián)，團(tuán)隊(duì)提出利用納米壓痕技術(shù)施加大變形量誘導(dǎo)剪切帶和裂紋形成的高通量表征方法。結(jié)合壓痕形貌表征，該方法可在大的成分范圍內(nèi)快速獲得韌性隨合金成分的變化趨勢(shì)，從而確認(rèn)具有裂紋抗性和塑性的成分區(qū)間。此外，納米壓痕技術(shù)本身還可同時(shí)獲得硬度和模量數(shù)據(jù)。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)對(duì)特定成分的微納力學(xué)表征證明了該高通量表征方法的有效性，并在Ir-Ni-Ta組合樣品中的富Ta區(qū)域發(fā)現(xiàn)了具有極低摩擦系數(shù)和磨損率的非晶合金。微觀力學(xué)測(cè)試顯示，該富Ta非晶合金的壓縮強(qiáng)度高達(dá)5GPa，大量剪切帶的形成表明該合金具有較好的韌性。此外，熱穩(wěn)定性測(cè)試和高溫氧化測(cè)試證明該富Ta非晶合金還具有極好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（晶化溫度Tx>1073K，氧化溫度>920K）。
在室溫大氣環(huán)境中，采用金剛石球頭進(jìn)行摩擦測(cè)試，該富Ta非晶合金的摩擦系數(shù)僅為0.05，采用G-Cr合金球頭測(cè)試，摩擦系數(shù)也只有0.15。最為值得關(guān)注的是，該富Ta非晶合金的磨損率只有~10-7mm3/Nm（圖2）。
這樣的摩擦磨損性能已經(jīng)接近相似測(cè)試條件下類(lèi)金剛石材料的摩擦磨損性能（圖3）。這些結(jié)果不僅證明了新發(fā)展的高通量力學(xué)表征方法對(duì)快速篩選強(qiáng)韌化非晶合金成分的有效性，更有助于理解非晶合金耐磨性的起源。
以上研究成果以“Achieving diamond-like wear in Ta-rich metallic glasses”為題，于5月21日在線發(fā)表在《Advanced Science》上【Advanced Science 2023, 2301053】。李福成博士為論文第一作者，柳延輝研究員為通訊作者。上述研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大專(zhuān)項(xiàng)的支持。
