【儀表網 研發快訊】近日，南京理工大學材料學院納米異構材料中心陳翔教授團隊在《物理評論快報》(Physical Review Letters)在線發表了題為“Full-scaling friction and wear laws of nanotwinned metals”(納米孿晶金屬的全尺度摩擦磨損標度律)的研究論文，該論文是納米金屬摩擦學領域的首篇PRL工作。南京理工大學為論文第一完成單位和通訊單位，南京理工大學陳翔教授和中國科學院寧波材料技術與工程研究所常可可研究員為共同通訊作者，南京理工大學林研副教授、張子悅碩士生和香港城市大學博士后段峰輝為論文共同第一作者。
納米孿晶(Nanotwinned，NT)金屬因其高密度孿晶界(Twin boundaries，TBs)和納米尺度孿晶片層厚度(λ)，展現出優異的機械強度、結構穩定性、電導率和損傷容限。最近20年，納米孿晶金屬的研究已從初期的性能表征，發展到揭示突破傳統標度律和新型變形機制。例如，當孿晶片層厚度小于某一臨界值時，納米孿晶Cu的拉伸變形機制由位錯在孿晶界處塞積轉變為不全位錯誘導的孿晶界遷移與退孿生，從而表現出Hall-Petch軟化現象，即強度隨片層厚度減小而降低。相反，在納米孿晶Ni中，由于孿晶界穩定性增強，導致位錯持續塞積以及變形過程形成二次孿生，其壓縮強度/硬度隨孿晶片層厚度減小而持續上升。摩擦和磨損是造成材料性能退化和能量耗散的重要因素，全世界三分之一的能量以各種形式消耗在摩擦磨損上，不僅取決于接觸界面特性，也與材料的宏觀力學響應密切相關。然而，摩擦加載誘導的塑性變形遠比單軸加載更為復雜，且受外部加載尺度的影響，這導致揭示摩擦加載下孿晶片層厚度依賴的標度律及變形機制面臨嚴重挑戰。因此，迫切需要建立全尺度(不同摩擦加載量級)下孿晶片層厚度依賴的摩擦磨損標度律，以期為不同摩擦學工況下納米孿晶金屬的性能調控提供理論依據。
圖1納米孿晶鎳在納米、微觀和宏觀尺度摩擦載荷下的標度律及變形機制
針對上述難題，陳翔教授團隊以電沉積納米孿晶Ni(孿晶片層厚度從2.9至81 nm精確可控)為研究對象，通過原子力顯微鏡、微米劃擦及宏觀摩擦實驗，結合亞表層顯微結構分析、分子動力學模擬及第一原理計算，系統建立了納米孿晶金屬中孿晶片層厚度相關的摩擦磨損標度律，并揭示了摩擦學中一個基本但常被忽視的原則：摩擦和磨損不僅受表面現象主導，還受接觸界面下方材料本體力學響應的顯著影響。研究發現，納米孿晶金屬在納米→微米→宏觀尺度加載下的摩擦學響應，本質上取決于其在多尺度摩擦載荷下的結構演變及相應物理變形機制的轉變(圖1)。在納米加載尺度(50 – 190 nN)，摩擦誘導的塑性變形主要由位錯-孿晶界相互作用和退孿生主導，導致納米孿晶鎳的摩擦系數隨孿晶片層厚度減小呈現先增加后降低的趨勢。在微米加載尺度(500 – 1000 mN)，超細納米孿晶結構降低相變能壘，促進摩擦亞表層發生由面心立方(FCC)結構向密排六方(HCP)結構的相變，導致摩擦系數和磨損率均隨孿晶片層厚度減小而單調下降。在宏觀加載尺度(5 N)，摩擦系數與孿晶片層厚度無顯著相關性，但在臨界片層厚度(20 nm)以上時，摩擦亞表層形成穩定氧化膜和梯度納米結構，使材料呈現低磨損特性；而臨界片層厚度以下，摩擦亞表層趨于形成脆性納米晶結構，導致磨損率急劇增加。該工作從材料科學角度揭示了納米孿晶金屬的全尺度摩擦磨損定律及表面變形新機制，為設計低摩擦高耐磨金屬材料提供了新思路，豐富了納米孿晶金屬摩擦學的基本理論。
該工作得到了國家自然科學基金重大研究計劃重點項目、面上項目、中央高校基本科研業務費專項資金資助項目等項目支持。
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