類材(cai)料(liao)因(yin)超(chao)高的(de)(de)(de)硬度和自(zi)潤(run)滑(hua)能力而(er)(er)展現出極佳的(de)(de)(de)摩擦磨(mo)損性能。然(ran)而(er)(er)，受濕度、溫度、氣氛等環境(jing)因(yin)素(su)和尺寸(cun)的(de)(de)(de)限(xian)制，類金(jin)(jin)剛(gang)石材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)應用局限(xian)于(yu)涂層和復合材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)填充劑。相比(bi)類金(jin)(jin)剛(gang)材(cai)料(liao)，金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)應用更加廣泛。但金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)(de)硬度往(wang)(wang)往(wang)(wang)較低，缺乏自(zi)潤(run)滑(hua)能力，大部分金(jin)(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)摩擦磨(mo)損性能遠遠遜色于(yu)類金(jin)(jin)剛(gang)石材(cai)料(liao)。在金(jin)(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)中獲得金(jin)(jin)剛(gang)石般的(de)(de)(de)摩擦磨(mo)損性能將極大拓寬的(de)(de)(de)選擇范圍。

       保留了液態熔體的無序原子結構，具有高強度、高硬度的特點。不同于傳統金屬，非晶合金表面呈現類似液體的性質，從而出現自潤滑效應，使得許多非晶合金展現出接近類金剛石材料的摩擦系數（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10-5-10-6 mm3/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10-6-10-9 mm3/Nm的磨損率相比仍然很高。降低非晶合金磨損率的關鍵在于提高結構穩定性和斷裂韌性。令人遺憾的是，大部分非晶合金因為玻璃轉變溫度和晶化溫度低而在高速往復摩擦過程中容易出現結構弛豫或晶相的析出，導致局部裂紋產生，磨損抗性隨之降低。因此，尋找結構穩定、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(li)研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)柳延(yan)輝、汪衛(wei)華(hua)團(tuan)隊前(qian)期(qi)基于材料基因工程理(li)念(nian)，發展了(le)(le)高(gao)通(tong)量(liang)實驗方法，開發出高(gao)溫塊體非晶(jing)合(he)金(jin)(jin)，發現了(le)(le)非晶(jing)合(he)金(jin)(jin)形成能力(li)的新判據(ju)，為非晶(jing)合(he)金(jin)(jin)新材料高(gao)效(xiao)研(yan)(yan)發提供了(le)(le)有利工具。近期(qi)，該團(tuan)隊研(yan)(yan)究(jiu)人員針對非晶(jing)合(he)金(jin)(jin)的力(li)學性能設(she)計了(le)(le)高(gao)通(tong)量(liang)表征方法（圖1），結合(he)前(qian)期(qi)發展的高(gao)通(tong)量(liang)制備和(he)非晶(jing)篩(shai)選技術，研(yan)(yan)發出摩擦系數、磨(mo)損率均(jun)和(he)類(lei)金(jin)(jin)剛石材料相(xiang)當的超耐磨(mo)高(gao)溫非晶(jing)合(he)金(jin)(jin)。

       團(tuan)隊選(xuan)擇Ir-Ni-Ta高(gao)溫(wen)(wen)非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)為(wei)突破口。該(gai)(gai)(gai)(gai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)具有(you)(you)良好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)非(fei)(fei)晶(jing)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)能(neng)力(li)(li)(li)和(he)高(gao)玻璃轉變(bian)溫(wen)(wen)度(du)(du)，能(neng)夠克服非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)在(zai)(zai)(zai)摩擦(ca)過(guo)程中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構失穩(wen)問(wen)題。此外(wai)，該(gai)(gai)(gai)(gai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)展現的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)強度(du)(du)、高(gao)硬(ying)度(du)(du)等特點也有(you)(you)助(zhu)于(yu)提高(gao)磨(mo)(mo)損抗力(li)(li)(li)。但(dan)難點在(zai)(zai)(zai)于(yu)如(ru)何在(zai)(zai)(zai)該(gai)(gai)(gai)(gai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)體(ti)(ti)(ti)系(xi)(xi)(xi)內獲得韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)較(jiao)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)，從而降(jiang)低摩擦(ca)過(guo)程中裂紋產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)能(neng)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。團(tuan)隊利(li)用前(qian)期發展的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)通(tong)量實驗(yan)技(ji)術(shu)制備了(le)同時含有(you)(you)大(da)(da)(da)量合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)組合(he)(he)(he)(he)樣品(pin)，確定了(le)非(fei)(fei)晶(jing)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)范圍。基(ji)于(yu)非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剪(jian)切變(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特點以及剪(jian)切帶(dai)數(shu)(shu)量和(he)材料韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)之間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)關聯，團(tuan)隊提出利(li)用納(na)米壓痕技(ji)術(shu)施(shi)加大(da)(da)(da)變(bian)形(xing)(xing)量誘導剪(jian)切帶(dai)和(he)裂紋形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)通(tong)量表(biao)征方(fang)法。結(jie)合(he)(he)(he)(he)壓痕形(xing)(xing)貌表(biao)征，該(gai)(gai)(gai)(gai)方(fang)法可(ke)在(zai)(zai)(zai)大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)范圍內快速獲得韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)隨合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)趨勢，從而確認具有(you)(you)裂紋抗性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)塑性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)區間。此外(wai)，納(na)米壓痕技(ji)術(shu)本身還(huan)可(ke)同時獲得硬(ying)度(du)(du)和(he)模量數(shu)(shu)據。團(tuan)隊進(jin)一步(bu)通(tong)過(guo)對特定成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)納(na)力(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)表(biao)征證(zheng)(zheng)明(ming)了(le)該(gai)(gai)(gai)(gai)高(gao)通(tong)量表(biao)征方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)效性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，并在(zai)(zai)(zai)Ir-Ni-Ta組合(he)(he)(he)(he)樣品(pin)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)富(fu)Ta區域發現了(le)具有(you)(you)極(ji)(ji)低摩擦(ca)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)和(he)磨(mo)(mo)損率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)。微(wei)觀力(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)顯示(shi)，該(gai)(gai)(gai)(gai)富(fu)Ta非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓縮(suo)強度(du)(du)高(gao)達5 GPa，大(da)(da)(da)量剪(jian)切帶(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)表(biao)明(ming)該(gai)(gai)(gai)(gai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)具有(you)(you)較(jiao)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。此外(wai)，熱穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)氧(yang)化(hua)測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)證(zheng)(zheng)明(ming)該(gai)(gai)(gai)(gai)富(fu)Ta非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)還(huan)具有(you)(you)極(ji)(ji)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)（晶(jing)化(hua)溫(wen)(wen)度(du)(du)Tx>1073K，氧(yang)化(hua)溫(wen)(wen)度(du)(du)>920K）。在(zai)(zai)(zai)室溫(wen)(wen)大(da)(da)(da)氣環境中，采用金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石球(qiu)(qiu)頭進(jin)行摩擦(ca)測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)，該(gai)(gai)(gai)(gai)富(fu)Ta非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)僅為(wei)0.05，采用G-Cr合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)球(qiu)(qiu)頭測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)，摩擦(ca)系(xi)(xi)(xi)數(shu)(shu)也只有(you)(you)0.15。最為(wei)值得關注的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，該(gai)(gai)(gai)(gai)富(fu)Ta非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)損率(lv)只有(you)(you)~10-7 mm3/Nm（圖2）。這樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)已經接近相似測(ce)(ce)試(shi)(shi)(shi)條件(jian)下(xia)類金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)（圖3）。這些結(jie)果不(bu)僅證(zheng)(zheng)明(ming)了(le)新發展的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)通(tong)量力(li)(li)(li)學(xue)(xue)(xue)表(biao)征方(fang)法對快速篩選(xuan)強韌(ren)化(hua)非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)(you)效性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，更有(you)(you)助(zhu)于(yu)理解非(fei)(fei)晶(jing)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)耐磨(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)起源。

       以(yi)上研(yan)(yan)究成果以(yi)Achieving diamond-like wear in Ta-rich metallic glasses為題近日在線(xian)發(fa)表(biao)在《先進科(ke)學(xue)》（Advanced Science）上。上述研(yan)(yan)究工作得(de)到國(guo)(guo)家重點研(yan)(yan)發(fa)計劃、中(zhong)國(guo)(guo)博(bo)士(shi)后科(ke)學(xue)基(ji)(ji)金、國(guo)(guo)家自然(ran)科(ke)學(xue)基(ji)(ji)金委(wei)員(yuan)會、中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學(xue)院、廣東省基(ji)(ji)礎與應用基(ji)(ji)礎研(yan)(yan)究重大(da)專(zhuan)項的支持(chi)。

圖1 高通量(liang)力(li)學表征輔助(zhu)高強(qiang)度(du)、高裂紋抗(kang)性非晶合金(jin)的快速搜尋

圖2 利用納米(mi)壓(ya)痕在不(bu)同成分區間內的摩擦(ca)磨損實驗

圖(tu)3 富Ta高(gao)溫非晶合金的摩擦磨損(sun)性能與類金剛石(shi)材(cai)料(liao)及傳統金屬(shu)材(cai)料(liao)的對(dui)比