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中国科学院兰州化学物理研究所朱圣宇/杨军：WB4-B超耐磨超硬陶瓷

已有 545 次阅读 2024-10-28 10:54 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Hou G, Chen W, Sun Q, et al. Super wear-resistant WB4–B super-hard ceramic by in-situ formed lubrication film in high moisture. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220987

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220987

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/383917697_Flexible_and_resilient_CoTiO_2_SiOC_nanofibers_via_electrospinning_Towards_thermal_and_electromagnetic_wave_protection

1、 研究背景

理想的超耐磨材料应该能够适应服役工况和环境变化，以满足高端机械设备复杂多变的使役性能要求。迄今只有屈指可数的材料在特定条件下才能表现出超低磨损特性，例如在真空环境的二硫化钼薄膜与氢化类金刚石薄膜、在干燥氮气中的氮化镓薄膜，但在空气环境中水分子引起氧化磨损，造成超低磨损性能失效。本工作受陶瓷材料与水分子的摩擦化学反应启发，通过调控湿度环境中原位生成润滑膜，提出了一种磨损自适应策略，实现了干/湿环境中超耐磨性能。

我们设计制备了WB₄-B超硬陶瓷，其中超硬WB₄相具有抵抗摩擦应力形变和裂纹扩展的能力；B相和空气中水分子通过摩擦化学原位生成润滑膜。实验结果表明，WB₄-B陶瓷在干/湿环境中以及在高接触应力、长周期摩擦等苛刻摩擦实验条件下表现出超低磨损性能，特别是在R.H. 100%的高湿度条件下，WB₄-B超硬陶瓷材料的磨损率低至10^-8 mm³N^-1m^-1，摩擦系数低至0.1。WB₄-B超硬陶瓷材料是一种不可多得的超耐磨材料。

2、文章亮点

本文采用放电等离子烧结技术制备了 WB₄-B 超硬陶瓷块体。

WB₄-B/WC摩擦副的摩擦系数约为0.1，WB₄-B块体的磨损率为10^-8 mm³N^-1m^-1，WC球的磨损率为10^-9 mm³N^-1m^-1。

WB₄-B在高湿度、高接触应力和长时间摩擦循环的苛刻情况下表现出优异的摩擦学性能。

超硬基体结构和表面原位润滑层的协同作用可实现超低磨损。超硬WB₄-B基体有效防止摩擦应力与剪切力引起的位错运动，微裂纹扩展和晶粒形变等结构演变，保持结构稳定；原位形成的H₃BO₃/WO₃·H₂O润滑膜具有低剪切力，可以减少界面摩擦。

3、研究结果及结论

通过将放电等离子烧结技术制备了WB₄-B 超硬陶瓷块体。图1为WB₄-B样品的微观形貌。样品表面形貌表明由WB₄和B两相构成，其中WB₄相83.7%，B相16.3%。通过力学测试表明WB₄-B陶瓷的维氏硬度为43.91GPa，断裂韧性为3.37 MPa·m^1/2，弹性模量为599.17 ± 29.46 GPa。

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图1 WB₄-B样品的微观形貌

通过盘球式旋转摩擦试验，我们系统地评估了WB₄-B陶瓷在不同湿度水平和工况条件下的摩擦学特性。如图2所示，随着环境湿度的增加，WB₄-B陶瓷的摩擦系数和磨损率均显著下降，在高湿度范围（80-100%）内，该材料展现出了卓越的超低磨损性能。此外，尽管摩擦载荷、速度和周期数增加，WB₄-B陶瓷仍维持了其摩擦学性能的稳定性，这表明其在苛刻的操作条件下具有优异的耐磨性和可靠性。

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图2 不同湿度环境与摩擦实验条件下WB₄-B陶瓷的摩擦系数和磨损率

图3清晰地展示了WB₄-B与WC-Co材料在不同湿度条件下的磨损表面形貌及其元素分布特征。在低湿度环境中，WB₄-B的磨损表面相对平滑，但可见少量由脆性断裂形成的凹坑。相对地，WC-Co的磨损表面呈现出明显的脆性断裂特征。值得注意的是，两种材料的磨损表面均未观察到磨屑堆积现象。这表明在低湿度条件下，材料的磨损机制可能以脆性断裂为主。

在高湿度环境中，WB₄-B/WC-Co摩擦副的磨损表面表现出显著不同的磨损特性，其磨损表面变得光滑，并形成了一层由氧化物构成的摩擦层。这层氧化物可能由环境中的水分与材料表面发生化学反应而形成，从而在磨损过程中起到了减摩和抗磨的作用。

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图3 不同湿度下WB₄-B与WC-Co磨损表面形貌与元素分布

图4展示了WB₄-B材料在不同相对湿度条件下的磨损表面的XPS光谱分析结果。在低湿度环境下，XPS光谱揭示磨损表面主要由WB₄-B的基体物质构成，即WB₄和B相，以及少量的WO₃。相比之下，在高湿度环境下，磨损表面的化学组成更为复杂，除了基体物质外，还检测到了H₃BO₃和WO₃等氧化物的存在。这些结果表明，环境湿度的变化显著影响了WB₄-B材料的磨损表面化学状态，从而对其摩擦学性能产生重要影响。

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图4 不同相对湿度条件下WB₄-B磨损表面的XPS光谱。

图5呈现了WB₄-B在20%和100%相对湿度环境下的磨损截面微观结构及元素分布。在干燥环境(R.H. 20%)中，WB₄-B的磨损界面光滑，未观察到晶粒碎裂，这一现象在高湿度(R.H. 100%)下同样明显。磨损表面的轻微晶格畸变反映了强B-B和W-B键对晶格稳定性的维持，有效抑制了晶粒的塑性变形。次表层区域的WB₄晶粒显示出金属性位错排列，而共价键合的B晶粒则保持完整，这种双相结构抑制了位错的晶间迁移，从而增强了材料的结构稳定性。

在干燥条件下，WB₄-B的磨损表面形成了由WB₄和WO₃构成的复合层，该层为基体提供了稳定的支撑，但磨损表面形成的氧化物层较薄，约10纳米，其润滑性能受限。相对地，在高湿度环境中，磨损表面形成了富含H₃BO₃、WO₃和吸附水分子的较厚润滑层，这一润滑层通过范德华力提供了有效的减摩作用，增强了材料的耐磨性能。因此，在高湿度条件下，WB₄-B展现出更优的摩擦学特性，这主要归因于其在磨损表面形成的润滑层。这种对于环境中水汽的磨损自适应策略，实现了干/湿环境中WB₄-B的超耐磨性能。

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图5 WB₄-B在20%和100%相对湿度环境下的磨损截面微观结构及元素分布

4、作者及研究团队简介

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通讯作者：朱圣宇，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博士生导师。长期从事极端工况摩擦学研究，研究方向主要集中于固体润滑新原理与新材料、超低磨损新原理与新材料。主持国家自然科学基金重点项目、中国科学院B类先导专项等项目，合作发表SCI论文120余篇，合作出版中文专著1部，获授权国家发明专利40余件；获甘肃省自然科学二等奖1项。入选2020年度中国科学院西部之光青年学者与2023年度西部之光交叉团队。兼任全国滑动轴承标准化技术委员会委员、《摩擦学学报》青年编委。

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通讯作者：杨军，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博士生导师。长期从事高温摩擦学的基础理论及相关应用研究。研究结果在Advanced Materials、Research、Scripta Materialia、Tribology International和Wear等国内外刊物上发表SCI收录论文240多篇，SCI引用5000余次，H因子35。合作出版《高温摩擦学》专著1部。授权中国发明专利50余件。获甘肃省自然科学一等奖1项（第二完成人）、甘肃省技术发明一等奖1项（第五完成人）、甘肃省自然科学二等奖1项（第一完成人），“兰州化物所青年创新奖”优秀奖。应邀多次做国际国内学术会议邀请报告。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金等项目10余项。入选2018年科技部中青年科技创新领军人才，2019年中组部科技创新领军人才，2022年甘肃省拔尖领军人才。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。