常州工學(xué)院《Tribology International》：納米刷狀界面構(gòu)型助力鈦基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)重載耐磨性能突破

鈦基復(fù)合材料憑借優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度和耐腐蝕性，在航空航天、海洋工程、高端裝備等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，鈦合金在重載滑動(dòng)工況下易發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損和塑性變形，限制了其在關(guān)鍵摩擦副部件中的進(jìn)一步應(yīng)用。氮化硼納米片（BNNS）作為典型的二維自潤滑增強(qiáng)相，為鈦基復(fù)合材料的性能提升提供了新思路，但燒結(jié)過程中 BNNS 與鈦基體的界面演化及其對(duì)摩擦學(xué)行為的調(diào)控機(jī)制尚不明確。

近日，常州工學(xué)院劉振強(qiáng)博士、江蘇大學(xué)王勻教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，提出了一種通過直流燒結(jié)（DCS）調(diào)控界面演化的新策略，成功在鈦基復(fù)合材料中構(gòu)建了三維納米刷構(gòu)型增強(qiáng)相，實(shí)現(xiàn)了高載下耐磨性能的顯著提升。相關(guān)成果以 “Enhancing high?load wear resistance in titanium matrix composites with nano?brush?like configurations: Experiments and molecular simulations” 為題，發(fā)表于國際摩擦學(xué)頂級(jí)期刊 Tribology International。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.triboint.2026.112091

研究發(fā)現(xiàn)，通過精準(zhǔn)控制直流燒結(jié)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)的可控演化：從初始的BNNS，經(jīng)原位反應(yīng)生成BNNS/TiB組成的三維納米刷構(gòu)型，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榇只腡iB晶須。在相同溫度條件下，不同的界面構(gòu)型顯著影響材料的摩擦學(xué)行為與力學(xué)性能。隨著燒結(jié)時(shí)間的變化，含納米刷構(gòu)型的復(fù)合材料展現(xiàn)出與傳統(tǒng)晶須增強(qiáng)材料截然不同的性能優(yōu)勢(shì)。

圖1 BNNSs/Ti6Al4V復(fù)合材料與TiB/Ti6Al4V復(fù)合材料的制備工藝示意圖

圖2 材料形貌表征：(a1) 0.5 vol% BNNSs/Ti6Al4V混合粉末；(a2) Ti6Al4V粉末表面的BNNSs；(b1) 5-TMC的微觀組織；(b2) 5-TMC中的刷狀構(gòu)型；(c1) 15-TMC的微觀組織；(c2) 15-TMC中粗化的TiB晶須

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，含納米刷構(gòu)型的復(fù)合材料（5-TMC）在高載工況下的耐磨性能得到了突破性提升：在20 N載荷下，其磨損率僅為57.0×10?? mm3·N?1·m?1，相較于TiB晶須增強(qiáng)復(fù)合材料降低了約25%，相較于Ti6Al4V基體降低了約31%。同時(shí)，其摩擦系數(shù)在高載下也表現(xiàn)出更低、更穩(wěn)定的特征，展現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)穩(wěn)定性。

圖3 材料的摩擦磨損性能：不同材料在2 N (a)、10 N (b)、15 N (c)和20 N (d) 載荷下的典型摩擦系數(shù)曲線；不同載荷下各材料的平均摩擦系數(shù)(e)及磨損率(f)變化曲線

為了深入揭示其內(nèi)在機(jī)理，團(tuán)隊(duì)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，從原子尺度闡明了納米刷構(gòu)型的強(qiáng)化與潤滑協(xié)同機(jī)制：

1.強(qiáng)界面承載效應(yīng)：納米刷構(gòu)型與鈦基體形成半共格強(qiáng)結(jié)合界面，形成了強(qiáng)約束界面網(wǎng)絡(luò)。在高載滑動(dòng)過程中，該界面可高效承載并分散接觸應(yīng)力，避免了基體因局部應(yīng)力過載而發(fā)生的早期塑性流變，為材料提供了優(yōu)異的抗塑性變形與抗磨損失效能力；

2.原位自潤滑作用：滑動(dòng)過程中，BNNS被剪切剝離，原位形成連續(xù)的保護(hù)性潤滑膜，有效降低了界面剪切阻力；

3.位錯(cuò)調(diào)控與應(yīng)變硬化：TiB納米線對(duì)鈦基體中的位錯(cuò)起到了強(qiáng)烈的釘扎作用，延遲了塑性變形的起始，并促進(jìn)了位錯(cuò)的增殖與儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的應(yīng)變硬化效果，有效抑制了磨粒的犁削作用。

圖4 納米劃痕分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中摩擦系數(shù)(COF)、切向力(Fx)與法向力 (Fz)的變化：(a1-a2) 2 ?；(b1-b2) 6 ?；(c1-c2) 10 ?

圖5 (a) BNNSs/Ti界面與BNNSs-TiB/Ti界面的壓痕載荷-位移曲線；(b) 兩種模型的位錯(cuò)密度變化；(c, d) 兩種模型弛豫后的晶格畸變程度（原子按位移程度著色）

圖6 不同壓痕深度下BNNS/Ti模型與BNNS-TiB/Ti模型的缺陷形核與演化（圖中隱藏了基體）

圖7 BNNS/Ti界面 (a) 與刷狀BNNS-TiB/Ti界面 (b) 磨損行為的機(jī)理示意圖

該研究為面向重載極端工況的鈦基復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)提供了全新策略，對(duì)拓展鈦基復(fù)合材料在高端裝備關(guān)鍵摩擦副中的工程應(yīng)用具有重要價(jià)值。

論文第一作者為常州工學(xué)院劉振強(qiáng)博士，通訊作者為江蘇大學(xué)王勻教授。研究工作得到了海洋關(guān)鍵材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、江蘇省高校自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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