出品丨科普中國
作者丨李紅斌 蘇云峰（中國科學院蘭州化學物理研究所）
監制丨中國科普博覽
日常生活中，我們經常會聽到各種機器傳來的吱呀吱呀的聲音，比如電風扇用久了就會很吵。這是因為機器中的零件用太久磨損了，一般情況下，往其中滴入一些潤滑油就能大大改善這種情況。其實不僅是電風扇，在其它大型機械設備，如汽車、火車、飛機甚至是火箭和空間探測器等，都有一些零件處于高速運轉中。尤其是這些部件在幾百度甚至上千度的高溫環境中工作時，摩擦和磨損就變得更加嚴重，甚至會突然卡住或者斷裂，給整個設備帶來巨大的安全風險。那么，有沒有一種材料，不但能承受極端高溫，還能在摩擦中變得更強，甚至“越磨越新”？雖然聽起來很不可思議，但這并非不切實際的幻想，中國的科學家就做到了這一點。要讓材料在高溫下既堅硬又不容易斷裂，靠的不是“運氣”，而是從原子開始的結構設計！在材料科學中，有一種叫做粉末冶金的方法，簡單來說就是把各種金屬或非金屬的細小粉末混合在一起，然后在高溫高壓下“燒結”成型。科學家把鈦(Ti)、鉬(Mo)、硅(Si)、硼(B)四種元素的超細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，簡單來說，就像是制作千層酥一樣。這種陶瓷內部結構的排列方式使其不僅強度高、硬度大，還能在室溫到 1000℃ 的高溫環境中穩定工作，不輕易變形或斷裂。Ti4MoSiB2?陶瓷的晶體結構 圖片來源：蘭州化物所更神奇的是，這種陶瓷材料還能根據溫度變化自動“調整策略”來對抗斷裂：在低溫時，原子層之間的結合相對較弱，這讓裂紋在材料內部拐來拐去“走迷宮”，因而不易迅速擴展；但在高溫下，由于材料內部的晶粒是隨機分布，而且在加熱時，晶粒每個方向的膨脹程度不一樣。隨著溫度升高，為了適應這種變化，晶粒之間會在邊界處產生應力，使邊界變得更容易開裂。這會讓材料在高溫下從晶粒之間斷裂，而非從晶粒內部斷裂，這種方式能提高材料在高溫環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 圖片來源：蘭州化物理所除了以上的堅硬和抗斷裂之外，這種陶瓷還有自潤滑的功能。所謂的自潤滑指的是不依賴引入其他潤滑劑，而通過材料自身特點實現潤滑功能。科學家在不同溫度下均對它做了摩擦實驗，發現從室溫一直到 1000℃，它在與金屬材料接觸摩擦時表現出非常好的高溫潤滑和耐磨效果。它之所以具有自潤滑特性，是因為在高溫摩擦的過程中，材料的表面會發生一種叫做“摩擦化學反應”的現象，也就是邊摩邊發生化學變化。這個過程中會生成兩種關鍵物質：MoO?，它的結構像一層一層的紙片，具有優異的潤滑性能，就像抹上了一層天然潤滑劑；另一種是 TiO?，因其結構中存在一些“氧空位”，也就是缺少一些氧原子，它會形成一種叫 Ti?O? 的物質，而且表面原子排布也會發生變化。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，表面還會被這些氧化物覆蓋，形成一層“保護膜”。也就是說這種陶瓷不但自己沒怎么磨損，反而因為這層膜越積越厚，看起來越磨越多，出現了一種罕見的現象，叫做“負磨損”。這種陶瓷不僅自己保護得很好，連與其對摩的金屬也磨損得更少了，這種效果簡直是在高溫環境下工作的機械設備的福音！1000℃ 下摩擦 30 min（a）和 1000℃ 下摩擦 180 min（b）后材料磨損表面形態 圖片來源：蘭州化物所此前，科學家們已經嘗試用陶瓷材料來實現自潤滑的效果。傳統方法是往陶瓷中添加潤滑劑，比如石墨、二硫化鉬、氮化硼等。但這些潤滑劑會破壞陶瓷本身的結構完整性，而且這種材料的制造過程也比較復雜，加工起來很難做到精準控制。科學家另辟蹊徑，發明了 Ti?MoSiB? 陶瓷，它是一種單一成分、統一結構的陶瓷，不需要額外添加潤滑劑，就能在高溫下自我潤滑。而且它可以通過一次高溫燒結直接制成，工藝更簡單，結構更穩定。因其具備導電性能，還可以用電火花加工這種常用的方法來切割，大大提高了加工效率。·力學性能方面，它在常溫到 1000℃ 的廣泛溫度范圍內都能保持高強度和不易斷裂的特性；·摩擦性能方面，它在和金屬材料摩擦時，不僅摩擦力小、磨損少，還能在某些條件下實現“負磨損”，比目前已知的大多數同類型材料都更出色。可以說，它是目前類似陶瓷材料中，兼顧強度、穩定性、耐磨性和潤滑性的全能型選手。相關材料力學（a）與磨損特性對比（b）圖片來源：蘭州化物所正是由于它的這些強大性能，使其具備了非常廣闊的應用前景。比如在航空發動機中，一些關鍵部件需要在上千度的高溫下變換幾何結構，這些零件不能變形、不能斷裂、還得滑動靈活。Ti?MoSiB? 陶瓷就非常適合用來制作這些高溫滑動部件，還能用在像高溫軸承這樣的極端環境設備中，幫助整個系統變得更穩定、更耐用。更重要的是，這項研究展示了一種全新的材料設計思路：不再把“強度”和“功能”分別添加，而是把它們融合在同一種材料中。這種“結構-功能一體化”的思路，不僅為未來更多高性能材料的開發指明了方向，也讓我們看到了材料科學正在不斷突破的邊界。或許在不久的將來，我們會在航空、航天，甚至深空探測領域，看到這種“越磨越強”的陶瓷發揮它的作用。長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄左側“微信群”，申請加入交流群。
