類金剛石材料因超高的硬度和自潤滑能力而展現(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，缺乏自潤滑能力，大部分金屬材料的摩擦磨損性能遠遠遜色于類金剛石材料。在金屬材料中獲得金剛石般的摩擦磨損行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)熔體的無序原子結(jié)構(gòu)，具有高強度、高硬度的特點。不同于傳統(tǒng)金屬，非晶合金表面呈現(xiàn)類似液體的性質(zhì)，從而出現(xiàn)自潤滑效應(yīng)，使得許多非晶合金展現(xiàn)出接近類金剛石材料的摩擦系數(shù)（COFs<0.2）。

       非晶合金的高強度也使其具有良好的磨損抗性，磨損率Ws約為10-5-10-6mm3/Nm。這一磨損率雖然遠低于常見金屬材料，但和類金剛石材料約為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，大部分非晶合金因為玻璃轉(zhuǎn)變溫度和晶化溫度低而在高速往復(fù)摩擦過程中容易出現(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。

       中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心柳延輝、汪衛(wèi)華團隊前期基于材料基因工程理念，發(fā)展了高通量實驗方法，開發(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 高通量力學表征輔助高強度、高裂紋抗性非晶合金的快速搜尋

       近期，該團隊的李福成博士在柳延輝、汪衛(wèi)華研究員的指導(dǎo)下，針對非晶合金的力學性能設(shè)計了高通量表征方法（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)、磨損率均和類金剛石材料相當?shù)某湍ジ邷胤蔷Ш辖稹?/p>

       團隊選擇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程中的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題。此外，該合金體系展現(xiàn)的高強度、高硬度等特點也有助于提高磨損抗力。但難點在于如何在該合金體系內(nèi)獲得韌性較好的成分，從而降低摩擦過程中裂紋產(chǎn)生的可能性。團隊利用前期發(fā)展的高通量實驗技術(shù)制備了同時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以及剪切帶數(shù)量和材料韌性之間的關(guān)聯(lián)，團隊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，從而確認具有裂紋抗性和塑性的成分區(qū)間。此外，納米壓痕技術(shù)本身還可同時獲得硬度和模量數(shù)據(jù)。

       團隊進一步通過對特定成分的微納力學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。微觀力學測試顯示，該富Ta非晶合金的壓縮強度高達5 GPa，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)定性測試和高溫氧化測試證明該富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）。

圖2 利用納米壓痕在不同成分區(qū)間內(nèi)的摩擦磨損實驗

       在室溫大氣環(huán)境中，采用金剛石球頭進行摩擦測試，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）。

圖3 富Ta高溫非晶合金的摩擦磨損性能與類金剛石材料及傳統(tǒng)金屬材料的對比

       這樣的摩擦磨損性能已經(jīng)接近相似測試條件下類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)展的高通量力學表征方法對快速篩選強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。上述研究得到了國家重點研發(fā)計劃、中國博士后科學基金、國家自然科學基金委員會、中科院、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大專項的支持。