通常意義上的超低磨損率是指一次滑動(dòng)過(guò)程中只出現(xiàn)單（原子）層量級(jí)的磨耗，即10-8mm3N-1m-1的體積磨損率。而展現(xiàn)這種情況的材料屈指可數(shù)，如類金剛石、石墨、MoS2/W2，或納米復(fù)合PTFE-Al2O3等材料，并且是在特定環(huán)境中，確實(shí)可實(shí)現(xiàn)超低磨損。

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia Nat. Lab）聯(lián)合麻省理工學(xué)院（MIT）的研究者制備出了一種特殊的Pt-Au合金的納米晶薄膜，在最大赫茲接觸應(yīng)力高達(dá)1.1 GPa 下摩擦，首次實(shí)現(xiàn)了單純使用金屬材料來(lái)達(dá)到與類金剛石-藍(lán)寶石摩擦?xí)r可以獲得的超低磨損率，其磨損率可低至10?9 mm3 N?1 m?1量級(jí)。該研究成果（Achieving Ultralow Wear with Stable Nanocrystalline Metals）于2018年6月發(fā)表在《Advanced Materials》雜志上（DOI: 10.1002/adma.201802026）。

一般超低磨損是通過(guò)高定向低剪切層狀膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的，傳統(tǒng)金屬一般難于獲得超低磨損率。但是對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，通過(guò)結(jié)晶細(xì)化，形成能夠阻止由于熱/機(jī)械驅(qū)動(dòng)引起的晶粒生長(zhǎng)的晶粒結(jié)構(gòu)，就有可能獲得比傳統(tǒng)合金更低的摩擦和更優(yōu)異的抗磨損性能。在必須考慮金屬材料本身特性時(shí)，如電接觸要求的高電導(dǎo)率時(shí)，其接觸表界面的滑動(dòng)/滾動(dòng)就需要超低的磨損率來(lái)保證長(zhǎng)期使用的可靠性。

而要實(shí)現(xiàn)超低磨損率需要減緩金屬在周期性接觸應(yīng)力下的微觀結(jié)構(gòu)演化、缺陷成核，最終磨屑產(chǎn)生。通過(guò)減小晶粒尺寸實(shí)現(xiàn)金屬的更高硬度（Hall-Petch強(qiáng)化），來(lái)提高材料磨損抗力，雖然理論還不明確但實(shí)踐中在多種材料上都表明了其相關(guān)性。交變接觸應(yīng)力形成裂紋和疲勞磨損，最后有內(nèi)聚破壞引起磨屑產(chǎn)生，這一機(jī)制通常歸為“剝層磨損機(jī)制”。多數(shù)大晶粒金屬在循環(huán)載荷下出現(xiàn)位錯(cuò)引起塑性、形核和晶粒粗化。而納米晶金屬不穩(wěn)定的晶界也可能出現(xiàn)晶粒生長(zhǎng)促進(jìn)開(kāi)裂。

該文的目的在于證明通過(guò)提高納米合金的熱-機(jī)械穩(wěn)定性，能夠減緩較高的接觸應(yīng)力下應(yīng)力驅(qū)動(dòng)造成的微觀結(jié)構(gòu)演化，最終抑制剝層磨損。近來(lái)的研究模型表明，新的熱力學(xué)過(guò)程可能通過(guò)合金化實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的納米晶。根據(jù)吉布斯吸附方程，溶質(zhì)原子在晶界處的選擇性偏聚，導(dǎo)致界面能下降，即減少了晶界生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。若偏聚帶來(lái)的能量?jī)?yōu)勢(shì)足夠高，則可實(shí)現(xiàn)晶粒生長(zhǎng)所需的驅(qū)動(dòng)力的大幅降低，甚至消失。這樣可使晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力減緩，或出現(xiàn)納米晶結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)穩(wěn)定化。這種效應(yīng)通過(guò)合金中強(qiáng)烈的界面偏聚達(dá)到最大，使得晶界偏聚在能量上最易實(shí)現(xiàn)形成固溶態(tài)或第二相。

Pt和Au理論上顯示了穩(wěn)定納米晶所需的熱力學(xué)特性，純度高、不易氧化、相對(duì)小的彈性錯(cuò)配（4%），使得合金偏聚引起的點(diǎn)陣應(yīng)變很小。本文展示了Pt.90Au.10（以下簡(jiǎn)稱Pt-Au），即Pt和Au的固溶體，具有異乎尋常的納米晶穩(wěn)定性和超低的磨損率。

作者使用Pt/Au合金靶，通過(guò)磁控濺射制備了約1.7微米厚的膜層。利用TEM觀察其斷面呈柱狀晶結(jié)構(gòu)，在膜厚一半位置處進(jìn)行觀察，其納米晶粒平均尺寸約40納米。EDS面掃和線分析結(jié)果表明，Au作為溶質(zhì)非常明顯地出現(xiàn)在晶界處，呈選擇性偏聚。經(jīng)500°C一個(gè)星期的退火，晶粒大小無(wú)明顯變化，顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

為考察此納米晶的機(jī)械穩(wěn)定性，作者使用藍(lán)寶石（Al2O3）和氮化硅（Si3N4）球（直徑3.2mm），與不銹鋼基體上約2微米厚的膜層在大氣、常溫（20°C）下進(jìn)行線性往復(fù)干摩擦試驗(yàn)，載荷1N（應(yīng)力1.1GPa），沖程1mm，線速度1mm/s，共摩擦10萬(wàn)次。

作者采用體積磨耗法計(jì)算磨損速率，使用布魯克公司生產(chǎn)的Contour GT型白光干涉儀（三維形貌儀）測(cè)量對(duì)磨副各自的表面磨損后形貌，尤其定量分析磨痕（斑）處的三維數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算磨損造成的體積變化量。磨痕斷面平均面積（A），磨痕長(zhǎng)度（L），總摩擦周次（N），接觸正壓力（Fn），代入公式k（mm3/N·m）=A·L/Fn·N·L進(jìn)行計(jì)算。

作者對(duì)比了每組摩擦對(duì)偶的磨損情況：圖一為藍(lán)寶石和Pt-Au膜磨損的對(duì)比。A、B分別為Al2O3和Pt-Au膜磨損后的三維形貌，可以非常直觀清晰地觀察到往復(fù)摩擦留下的平行磨痕細(xì)節(jié)，B圖的高度標(biāo)尺范圍為40nm，可見(jiàn)膜層總體磨損非常輕微。C圖直接對(duì)照了二者磨損后與磨痕方向的垂直斷面的輪廓線，可以看出Pt-Au膜的磨痕寬度約63微米，該位置大部分磨痕深度小于10納米，在10萬(wàn)次摩擦后，其磨損量非常小，計(jì)算磨損率僅為2.6x10-9mm3/ N·m。由于這類摩擦試驗(yàn)引起的磨損量非常小，對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量磨損的深度要求非常高，而布魯克Contour白光干涉儀在高度方向的超高分辨率能確保磨損量的精確評(píng)定。

圖二為Si3N4和Pt-Au膜磨損后形貌數(shù)據(jù)對(duì)比。作者認(rèn)為由于Si3N4球表面粗糙度較大（相對(duì)藍(lán)寶石），兩摩擦副的磨損率均比藍(lán)寶石球?qū)δr(shí)要高很多，從形貌上看塑性變形和犁溝很明顯，但Pt-Au比Si3N4的磨損率仍然小了幾乎一個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外，在鍍膜過(guò)程中為精確控制Pt-Au成膜厚度到？級(jí)別，使用了石英晶振模擬片，每次鍍膜前其厚度監(jiān)控也都采用布魯克公司的Dektak膜厚儀和TEM斷面兩種方式進(jìn)行校準(zhǔn)。

論文作者總結(jié)，大氣環(huán)境中合金材料獲得10-9mm3N-1m-1量級(jí)的磨損率，得益于Pt-Au超級(jí)穩(wěn)定的納米晶結(jié)構(gòu)。在無(wú)潤(rùn)滑條件下這一新合金材料展示了超低的磨損率和超常的熱/機(jī)械穩(wěn)定性，因而在對(duì)能源使用、存儲(chǔ)、輸送提出更高效能要求的今天，尤其電接觸場(chǎng)合下具有廣泛前景。

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論文鏈接：https://10.1002/adma.201802026 

Bruker Dektak 探針式輪廓儀介紹：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/stylus-profilometers.html 

Bruker Contour GT白光干涉顯微鏡介紹：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/3d-optical-microscopes.html