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摩擦磨損是導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)能量耗散與結(jié)構(gòu)退化的核心誘因，直接制約裝備服役安全與可靠性。盡管摩擦磨損不可避免，但近零磨損與極端工況潤滑材料與技術(shù)的突破，有望從根本上提升裝備的使役壽命。因此，構(gòu)建跨工況多環(huán)境的超低磨損與自潤滑材料體系與揭示極端條件下摩擦界面的演化機(jī)制，是摩擦學(xué)領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫摩擦學(xué)課題組，圍繞新型超硬WB₄材料，從材料本征結(jié)構(gòu)性能調(diào)控、極端環(huán)境物理化學(xué)本質(zhì)、跨尺度界面演變規(guī)律三個(gè)核心維度，開展了系統(tǒng)性研究?；凇耙謸p-再生”理念，提出了復(fù)雜極端工況下摩擦化學(xué)物理驅(qū)動(dòng)的原位自修復(fù)近零磨損策略，構(gòu)建了強(qiáng)共價(jià)鍵超硬基體與低剪切強(qiáng)度潤滑表面一體化協(xié)同防護(hù)結(jié)構(gòu)。

高硬度是實(shí)現(xiàn)超低磨損的關(guān)鍵因素，針對WB₄中軟質(zhì)β-B相限制整體性能，團(tuán)隊(duì)提出硼同素異形體協(xié)同強(qiáng)化策略。采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)將β-B相轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂捕鹊腡-B相，形成納米WB₄晶粒與高密度層錯(cuò)T-B晶粒交替鑲嵌的結(jié)構(gòu)。晶粒細(xì)化、超硬第二相強(qiáng)化以及高畸變晶界等強(qiáng)化機(jī)制有效抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與裂紋擴(kuò)展，使其維氏硬度達(dá)到63 GPa，超過已知過渡金屬硼化物的硬度。相關(guān)成果發(fā)表于Advanced Functional Materials（2025; 35: 2507050）。

圖1. 大尺寸WB₄超硬材料的制備技術(shù)與硬化機(jī)制

摩擦往往伴隨著磨損，材料的磨損不可避免，團(tuán)隊(duì)提出基于磨損自修復(fù)策略，將有害摩擦能耗轉(zhuǎn)化為有益的界面物質(zhì)補(bǔ)償。WB₄基體提供高承載能力與穩(wěn)定摩擦表面，通過調(diào)控真空度可誘導(dǎo)表面微觀重構(gòu)，原位構(gòu)筑非晶/納米晶雙層穩(wěn)定的摩擦層自修復(fù)結(jié)構(gòu)；利用氧含量調(diào)控摩擦化學(xué)反應(yīng)與去除速率，通過氧化層體積膨脹實(shí)現(xiàn)磨損補(bǔ)償。在低真空下實(shí)現(xiàn)± 10^-8 mm³/Nm量級近零磨損及“正―零―負(fù)磨損”調(diào)控，為長壽命臨近空間與低軌道機(jī)械動(dòng)部件提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。相關(guān)成果發(fā)表于Communications Materials（2024; 5: 222）。

圖2. 低真空環(huán)境中WB₄近零磨損行為與磨損自修復(fù)機(jī)制

針對高濕及交變濕度工況，利用水分子兼具界面“破壞者”與“潤滑劑”的雙重作用，通過調(diào)控界面反應(yīng)路徑引導(dǎo)水分子參與潤滑結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。研究發(fā)現(xiàn)水分子參與摩擦界面反應(yīng)，誘導(dǎo)WB₄在接觸區(qū)發(fā)生原位氧化與水合化，生成富含硼酸（H₃BO₃）的潤滑薄膜。薄膜依靠弱范德華力與水分子物理吸附實(shí)現(xiàn)低剪切滑動(dòng)；超硬基底為軟質(zhì)潤滑膜提供力學(xué)支撐，有效避免膜層在交變應(yīng)力下破裂。材料在高濕環(huán)境中展現(xiàn)出0.14的低摩擦系數(shù)與10^-8 mm³/Nm超低磨損率。相關(guān)成果發(fā)表于Journal of Advanced Ceramics（2024; 13: 1955-64）。

圖3. 不同濕度環(huán)境下WB₄材料的超低磨損的自適應(yīng)特性

針對航空航天領(lǐng)域千度以上極端高溫潤滑的挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)將極端熱能轉(zhuǎn)化為材料原位自潤滑動(dòng)力，利用WB₄超硬材料在1100 °C高溫?zé)崃︸詈舷碌膭?dòng)態(tài)演變，生成千度高溫自潤滑“油”。超高溫摩擦過程中，表面原位生成熔融態(tài)B₂O₃液態(tài)潤滑劑和WO₃層狀固態(tài)潤滑劑，摩擦系數(shù)低至0.07。固液混合潤滑機(jī)制賦予材料超高溫下穩(wěn)定潤滑，為極端高溫機(jī)械裝備潤滑技術(shù)革新開辟了新途徑。相關(guān)成果發(fā)表于Advanced Functional Materials（2026; e75711）。

圖4. 千度高溫自潤滑?“油”?及其?固液復(fù)合潤滑機(jī)制

上述系列研究系統(tǒng)揭示了WB₄基超硬材料在寬域極端工況下的摩擦學(xué)響應(yīng)機(jī)制，建立了“基體強(qiáng)化—界面調(diào)控—環(huán)境適配”的一體化設(shè)計(jì)方法，為寬域極端工況長效防護(hù)超硬材料的研發(fā)提供了重要理論基礎(chǔ)。侯桂鑫為系列論文的第一作者，朱圣宇研究員、楊軍研究員為共同通訊作者。

以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、甘肅省科技重大專項(xiàng)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院“西部之光”基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)基金等項(xiàng)目資助。