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機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)材料之間的摩擦?xí)斐赡芰康膿p耗機(jī)械、工作效率降低及部件壽命縮短。減小摩擦的方法往往只能依賴添加潤(rùn)滑或在部件表面進(jìn)行減摩涂層處理。

材料本體在一定工況條件下的摩擦系數(shù)難以通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控而改變。例如：金屬材料的干摩擦系數(shù)普遍較高，通常處于0.6-1.2之間，主要原因是摩擦過(guò)程中接觸表面下方產(chǎn)生塑性變形，變形的不均勻性導(dǎo)致表面粗糙化以及形成易脫落的摩擦層。

即使將晶粒尺寸降低到納米量級(jí)，材料的硬度成倍提高，但穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)卻幾乎不變，這是由于納米材料有限的塑性變形能力使其在摩擦過(guò)程中容易發(fā)生應(yīng)變局域化。降低金屬材料本體的摩擦系數(shù)似乎成為了一個(gè)“不可能完成”的任務(wù)。

最近，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室盧柯研究組在這一研究方向取得了突破性進(jìn)展。他們利用表面機(jī)械碾磨技術(shù)在Cu-Ag合金表層制備出梯度納米結(jié)構(gòu)，在高載荷干摩擦過(guò)程中，梯度納米結(jié)構(gòu)顯著降低了Cu-Ag合金的干摩擦系數(shù)。以載荷為50 N為例，摩擦系數(shù)由粗晶態(tài)0.64降至0.29。同時(shí)材料的磨損速率呈量級(jí)降低。梯度納米結(jié)構(gòu)為降低傳統(tǒng)金屬材料的摩擦磨損開(kāi)辟了全新的途徑。

材料表層的梯度納米結(jié)構(gòu)是指材料表層中的晶粒尺寸隨距表面深度增加從納米尺度梯度增加至普通粗晶尺度，因此使其強(qiáng)度由表及里呈梯度減小，這種梯度結(jié)構(gòu)可以有效抑制接觸載荷下材料的應(yīng)變局域化，從而避免或延緩材料表面在變形過(guò)程中出現(xiàn)裂紋。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在單次及重復(fù)滑擦條件下，Cu-Ag合金梯度納米結(jié)構(gòu)樣品表面始終光滑如初，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋或材料堆積，有效抑制了摩擦導(dǎo)致的表面粗糙化，呈現(xiàn)出與粗晶及均勻納米結(jié)構(gòu)樣品截然不同的特性。亞表層微觀結(jié)構(gòu)顯示，最表層納米晶尺寸穩(wěn)定不變，其下方由于機(jī)械驅(qū)動(dòng)的晶界遷移而導(dǎo)致晶粒粗化。在高載荷30000周次重復(fù)滑擦過(guò)程中，Cu-Ag合金的表層梯度納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效抑制了表面粗糙化以及脆性摩擦層的形成，這正是其低摩擦現(xiàn)象的原因。梯度納米結(jié)構(gòu)顯著降低金屬的干摩擦系數(shù)對(duì)于提高工程材料能源效率與產(chǎn)品壽命具有重要意義，也將對(duì)高端精密制造技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生推動(dòng)作用。

上述研究獲得科技部國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃及國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助。該研究成果發(fā)表于2016年12月9日出版的美國(guó)AAAS主辦的Science Advances（《科學(xué)進(jìn)展》）。