Advanced Science: 基于高通量方法获取类金刚石耐磨性能的非晶合金

类金刚石材料因超高的硬度和自润滑能力而展现出极佳的摩擦磨损性能。然而，受湿度、温度、气氛等环境因素和尺寸的限制，类金刚石材料的应用局限于涂层和复合材料的填充剂。相比类金刚材料，金属的应用更加广泛。但金属的硬度往往较低，缺乏自润滑能力，大部分金属材料的摩擦磨损性能远‍‍远逊色于类金刚石材料。在金属材料中获得金刚石般的摩擦磨损行性能将极大地拓宽耐磨材料的选择范围。在工程系统中，摩擦的减少可能来自于使用润滑剂或通过设计减摩表面涂层。‍‍

非晶合金保留了液态熔体的无序原子结构，具有高强度、高硬度的特点。不同于传统金属，非晶合金表面呈现类似液体的性质，从而出现自润滑效应，使得许多非晶合金展现出接近类金刚石材料的摩擦系数（COFs<0.2）。非晶‍‍‍‍‍‍‍‍合金的高强度也使其具有良好的磨损抗性，磨损率Ws约为10-5-10-6mm3/Nm。这一磨损率虽然远低于常见金属材料，但和类金刚石材料约为10-6-10-9 mm3/Nm的磨损率相比仍然很高。降低非晶合金磨损率的关键在于提高结构稳定性和断裂韧性。令人遗憾的是，大部分非晶合金因为玻璃转变温度和晶化温度低而在高速往复摩擦过程中容易出现结构弛豫或晶相的析出，导致局部裂纹的产生，磨损抗性随之降低。因此，寻找结构稳定、韧性良好的非晶合金是提高摩擦磨损性能的重要途径。

中国科学院物理研究所柳延辉、汪卫华团队前期基于材料基因工程理念，发展了高通量实验方法，开发出高温块体非晶合金（Nature , 2019, 569, 99），发现了非晶合金形成能力的新判据（Nature Materials 2022, 21, 165），为非晶合金新材料高效研发提供了有利工具。近期，该团队的李福成博士在柳延辉、汪卫华研究员的指导下，针对非晶合金的力学性能设计了高通量表征方法（图1），结合前期发展的高通量制备和非晶筛选技术，研发出摩擦系数、磨损率均和类金刚石材料相当的超耐磨高温非晶合金。

‍‍团队选择Ir-Ni-Ta高温非晶合金体系为突破口。该合金体系具有良好的非晶形成能力和高玻璃转变温度，能够克服非晶合金在摩擦过程中的结构失稳问题。此外，该合金体系展现的高强度、高硬度等特点也有助于提高磨损抗力。但难点在于如何在该合金体系内获得韧性较好的成分，从而降低摩擦过程中裂纹产生的可能性。团队利用前期发展的高通量实验技术制备了同时含有大量合金成分的组合样品，确定了非晶形成成分范围。基于非晶合金剪切变形的特点以及剪切带数量和材料韧性之间的关联，团队提出利用纳米压痕技术施加大变形量诱导剪切带和裂纹形成的高通量表征方法。结合压痕形貌表征，该方法可在大的成分范围内快速获得韧性随合金成分的变化趋势，从而确认具有裂纹抗性和塑性的成分区间（图1a, 1b, 1c）。此外，纳米压痕技术本身还可同时获得硬度和模量数据（图1d, 1e, 1f, 1g）。‍‍‍‍‍‍

团队进一步通过对特定成分的微纳力学表征证明了该高通量表征方法的有效性，并在Ir-Ni-Ta组合样品中的富Ta区域发现了具有极低摩擦系数和磨损率的非晶合金。如图2所示，微观力学测试显示，该富Ta非晶合金的压缩强度高达5 GPa，大量剪切带的形成表明该合金具有较好的韧性。此外，热稳定性测试和高温氧化测试证明该富Ta非晶合金还具有极好的结构稳定性（晶化温度T_x>1073K，氧化温度>920K）。在室温大气环境中，采用金刚石球头进行原位划痕测试获得摩擦磨损、薄膜结合力等参数。结果如图3所示，该富Ta非晶合金的摩擦系数仅为0.05.

除了微观尺度的摩擦磨损测试外，本研究还测试了材料的宏观摩擦磨损特性。如图5所示，采用G-Cr合金球头测试，获得的摩擦系数为0.15。最为值得关注的是，该富Ta非晶合金的磨损率只有~10^-7mm³/Nm。这样的摩擦磨损性能已经接近相似测试条件下类金刚石材料的摩擦磨损性能（图6）。这些结果不仅证明了新发展的高通量力学表征方法对快速筛选强韧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。

本文的不少工作都用到了布鲁克纳米表面与计量部的设备，包括纳米压痕仪、摩擦磨损测试仪及白光干涉显微镜等。这些设备能全面表征样品表面及涂层的表面特性。更重要的是，这些设备具有高通量测试功能，在材料基因组研究、大数据分析、和高通量筛选等方面具有良好应用。此外设备具有广泛的定制扩展能力，适合进行各种二次开放工作。这些设备介绍链接如下:

本文第一作者李福成博士,毕业于香港城市大学机械与工程系（2016-2020），主要从事纳米结构非晶合金的力学研究，2020年加入中科院物理所柳延辉团队从事博士后研究，研究方向主要涉及高通量力学表征技术及高性能金属材料的开发。在Advanced Science，Journal of the Mechanics and Physics of Solids, International Journal of Plasticity等国际知名期刊发表论文二十余篇。

中科院物理所柳延辉团队针对多组元合金材料探索效率低的问题，发展适用于多组元合金材料的高通量制备技术，研究工艺参数对材料合成的影响。针对微观结构、相变温度、抗腐蚀能力、抗氧化能力、力学等性能，发展相应的高通量表征技术，研究材料性能随化学成分和微观结构的变化趋势。

本文主要内容来源于中科院物理所，部分内容有增删。原文链接如下：http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202305/t20230526_6763721.html 

文章信息如下，感兴趣的朋友可以自行下载阅读。

标题：Achieving Diamond-Like Wear in Ta-Rich Metallic Glasses

作者：Fucheng Li, Mingxing Li, Liwei Hu, Jiashu Cao, Chao Wang, Yitao Sun, Weihua Wang,and Yanhui Liu

出处：Adv. Sci. 2023, 2301053

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301053

相关产品介绍：

纳米压痕仪：

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-test-systems.html

摩擦磨损测试仪：

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/tribometers-and-mechanical-testers.html

白光干涉显微镜：

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/3d-optical-profilers.html

‍‍‍‍‍‍‍‍