日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到各種機(jī)器傳來(lái)的吱呀吱呀的聲音，比如電風(fēng)扇用久了就會(huì)很吵。這是因?yàn)闄C(jī)器中的零件用太久磨損了，一般情況下，往其中滴入一些潤(rùn)滑油就能大大改善這種情況。

圖片來(lái)源：新華社

其實(shí)不僅是電風(fēng)扇，在其它大型機(jī)械設(shè)備，如汽車、火車、飛機(jī)甚至是火箭和空間探測(cè)器等，都有一些零件處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)中。尤其是這些部件在幾百度甚至上千度的高溫環(huán)境中工作時(shí)，摩擦和磨損就變得更加嚴(yán)重，甚至?xí)蝗豢ㄗ』蛘邤嗔?，給整個(gè)設(shè)備帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。那么，有沒(méi)有一種材料，不但能承受極端高溫，還能在摩擦中變得更強(qiáng)，甚至“越磨越新”？雖然聽(tīng)起來(lái)很不可思議，但這并非不切實(shí)際的幻想，中國(guó)的科學(xué)家就做到了這一點(diǎn)。

從原子層面搭建出來(lái)的新材料

要讓材料在高溫下既堅(jiān)硬又不容易斷裂，靠的不是“運(yùn)氣”，而是從原子開(kāi)始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)！

在材料科學(xué)中，有一種叫做粉末冶金的方法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把各種金屬或非金屬的細(xì)小粉末混合在一起，然后在高溫高壓下“燒結(jié)”成型。科學(xué)家把鈦(Ti)、鉬(Mo)、硅(Si)、硼(B)四種元素的超細(xì)粉末按照特定比例倒入模具，在高溫高壓下燒制出在原子尺度上精密堆疊的陶瓷，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就像是制作千層酥一樣。這種陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的排列方式使其不僅強(qiáng)度高、硬度大，還能在室溫到1000℃的高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作，不輕易變形或斷裂。

Ti4MoSiB2陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)

（圖片來(lái)源：蘭州化物所）

更神奇的是，這種陶瓷材料還能根據(jù)溫度變化自動(dòng)“調(diào)整策略”來(lái)對(duì)抗斷裂：在低溫時(shí)，原子層之間的結(jié)合相對(duì)較弱，這讓裂紋在材料內(nèi)部拐來(lái)拐去“走迷宮”，因而不易迅速擴(kuò)展；但在高溫下，由于材料內(nèi)部的晶粒是隨機(jī)分布，而且在加熱時(shí)，晶粒每個(gè)方向的膨脹程度不一樣。隨著溫度升高，為了適應(yīng)這種變化，晶粒之間會(huì)在邊界處產(chǎn)生應(yīng)力，使邊界變得更容易開(kāi)裂。這會(huì)讓材料在高溫下從晶粒之間斷裂，而非從晶粒內(nèi)部斷裂，這種方式能提高材料在高溫環(huán)境下抵抗破壞的能力。

低溫400℃下穿晶斷裂（a）和高溫800℃下沿晶斷裂（b）特征

（圖片來(lái)源：蘭州化物理所）

除了以上的堅(jiān)硬和抗斷裂之外，這種陶瓷還有自潤(rùn)滑的功能。所謂的自潤(rùn)滑指的是不依賴引入其他潤(rùn)滑劑，而通過(guò)材料自身特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑功能?？茖W(xué)家在不同溫度下均對(duì)它做了摩擦實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)從室溫一直到1000℃，它在與金屬材料接觸摩擦?xí)r表現(xiàn)出非常好的高溫潤(rùn)滑和耐磨效果。

它之所以具有自潤(rùn)滑特性，是因?yàn)樵诟邷啬Σ恋倪^(guò)程中，材料的表面會(huì)發(fā)生一種叫做“摩擦化學(xué)反應(yīng)”的現(xiàn)象，也就是邊摩邊發(fā)生化學(xué)變化。這個(gè)過(guò)程中會(huì)生成兩種關(guān)鍵物質(zhì)：MoO?，它的結(jié)構(gòu)像一層一層的紙片，具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，就像抹上了一層天然潤(rùn)滑劑；另一種是TiO?，因其結(jié)構(gòu)中存在一些“氧空位”，也就是缺少一些氧原子，它會(huì)形成一種叫 Ti?O?的物質(zhì)，而且表面原子排布也會(huì)發(fā)生變化。這些空位能減少表面之間的阻力，讓材料滑得更順暢，也不容易磨損。

更厲害的是，這種陶瓷在摩擦后，表面還會(huì)被這些氧化物覆蓋，形成一層“保護(hù)膜”。也就是說(shuō)這種陶瓷不但自己沒(méi)怎么磨損，反而因?yàn)檫@層膜越積越厚，看起來(lái)越磨越多，出現(xiàn)了一種罕見(jiàn)的現(xiàn)象，叫做“負(fù)磨損”。

這種陶瓷不僅自己保護(hù)得很好，連與其對(duì)摩的金屬也磨損得更少了，這種效果簡(jiǎn)直是在高溫環(huán)境下工作的機(jī)械設(shè)備的福音！

1000℃下摩擦30 min（a）和1000℃下摩擦180 min（b）后材料磨損表面形態(tài)

（圖片來(lái)源：蘭州化物所）

性能優(yōu)勢(shì)對(duì)比

此前，科學(xué)家們已經(jīng)嘗試用陶瓷材料來(lái)實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑的效果。傳統(tǒng)方法是往陶瓷中添加潤(rùn)滑劑，比如石墨、二硫化鉬、氮化硼等。但這些潤(rùn)滑劑會(huì)破壞陶瓷本身的結(jié)構(gòu)完整性，而且這種材料的制造過(guò)程也比較復(fù)雜，加工起來(lái)很難做到精準(zhǔn)控制。

科學(xué)家另辟蹊徑，發(fā)明了 Ti?MoSiB?陶瓷，它是一種單一成分、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的陶瓷，不需要額外添加潤(rùn)滑劑，就能在高溫下自我潤(rùn)滑。而且它可以通過(guò)一次高溫?zé)Y(jié)直接制成，工藝更簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。因其具備導(dǎo)電性能，還可以用電火花加工這種常用的方法來(lái)切割，大大提高了加工效率。

在性能方面，這種陶瓷比傳統(tǒng)陶瓷的優(yōu)勢(shì)在于：

力學(xué)性能方面，它在常溫到1000℃的廣泛溫度范圍內(nèi)都能保持高強(qiáng)度和不易斷裂的特性；

摩擦性能方面，它在和金屬材料摩擦?xí)r，不僅摩擦力小、磨損少，還能在某些條件下實(shí)現(xiàn)“負(fù)磨損”，比目前已知的大多數(shù)同類型材料都更出色。

可以說(shuō)，它是目前類似陶瓷材料中，兼顧強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐磨性和潤(rùn)滑性的全能型選手。

相關(guān)材料力學(xué)（a）與磨損特性對(duì)比（b）

（圖片來(lái)源：蘭州化物所）

正是由于它的這些強(qiáng)大性能，使其具備了非常廣闊的應(yīng)用前景。比如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，一些關(guān)鍵部件需要在上千度的高溫下變換幾何結(jié)構(gòu)，這些零件不能變形、不能斷裂、還得滑動(dòng)靈活。Ti?MoSiB?陶瓷就非常適合用來(lái)制作這些高溫滑動(dòng)部件，還能用在像高溫軸承這樣的極端環(huán)境設(shè)備中，幫助整個(gè)系統(tǒng)變得更穩(wěn)定、更耐用。

更重要的是，這項(xiàng)研究展示了一種全新的材料設(shè)計(jì)思路：不再把“強(qiáng)度”和“功能”分別添加，而是把它們?nèi)诤显谕环N材料中。這種“結(jié)構(gòu)-功能一體化”的思路，不僅為未來(lái)更多高性能材料的開(kāi)發(fā)指明了方向，也讓我們看到了材料科學(xué)正在不斷突破的邊界。

或許在不久的將來(lái)，我們會(huì)在航空、航天，甚至深空探測(cè)領(lǐng)域，看到這種“越磨越強(qiáng)”的陶瓷發(fā)揮它的作用。

出品：科普中國(guó)

作者：李紅斌 蘇云峰（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

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