南理工材料学院陈翔教授团队纳米金属摩擦学取得重要突破

南京理工大学陈翔教授团队在《物理评论快报》发表研究，揭示纳米孪晶金属在全尺度摩擦载荷下的摩擦磨损标度律及变形机制，为设计低摩擦高耐磨金属材料提供新思路，丰富了纳米孪晶金属摩擦学的基本理论。

近日，南京理工大学材料学院纳米异构材料中心陈翔教授团队在《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了题为“Full-scaling friction and wear laws of nanotwinned metals”(纳米孪晶金属的全尺度摩擦磨损标度律)的研究论文，该论文是纳米金属摩擦学领域的首篇PRL工作。南京理工大学为论文第一完成单位和通讯单位，南京理工大学陈翔教授和中国科学院宁波材料技术与工程研究所常可可研究员为共同通讯作者，南京理工大学林研副教授、张子悦硕士生和香港城市大学博士后段峰辉为论文共同第一作者。纳米孪晶(Nanotwinned，NT)金属因其高密度孪晶界(Twin boundaries，TBs)和纳米尺度孪晶片层厚度(λ)，展现出优异的机械强度、结构稳定性、电导率和损伤容限。最近20年，纳米孪晶金属的研究已从前期的性能表征，发展到揭示突破传统标度律和新型变形机制。例如，当孪晶片层厚度小于某一临界值时，纳米孪晶Cu的拉伸变形机制由位错在孪晶界处塞积转变为不全位错诱导的孪晶界迁移与退孪生，从而表现出Hall-Petch软化现象，即强度随片层厚度减小而下降。相反，在纳米孪晶Ni中，由于孪晶界稳定性增强，造成位错持续塞积以及变形过程形成二次孪生，其压缩强度/硬度随孪晶片层厚度减小而持续上升。摩擦和磨损是造成材料性能退化和能量耗散的重要因素，全世界三分之一的能量以各种形式消耗在摩擦磨损上，不仅取决于接触界面特性，也与材料的宏观力学响应密切相关。然而，摩擦加载诱导的塑性变形远比单轴加载更为复杂，且受外部加载尺度的影响，这造成揭示摩擦加载下孪晶片层厚度依赖的标度律及变形机制面临严重挑战。因此，迫切需要建立全尺度(不同摩擦加载量级)下孪晶片层厚度依赖的摩擦磨损标度律，以期为不同摩擦学工况下纳米孪晶金属的性能调控提供理论依据。
图1纳米孪晶镍在纳米、微观和宏观尺度摩擦载荷下的标度律及变形机制
针对上述难题，陈翔教授团队以电沉积纳米孪晶Ni(孪晶片层厚度从2.9至81 nm精确可控)为研究对象，通过原子力显微镜、微米划擦及宏观摩擦实验，结合亚表层显微结构分析、分子动力学模拟及第一原理计算，系统建立了纳米孪晶金属中孪晶片层厚度相关的摩擦磨损标度律，并揭示了摩擦学中一个基本但常被忽视的原则：摩擦和磨损不仅受表层现象主导，还受接触界面下方材料本体力学响应的显著影响。研究发现，纳米孪晶金属在纳米→微米→宏观尺度加载下的摩擦学响应，本质上取决于其在多尺度摩擦载荷下的结构演变及相应物理变形机制的转变(图1)。在纳米加载尺度(50 – 190 nN)，摩擦诱导的塑性变形主要由位错-孪晶界相互作用和退孪生主导，造成纳米孪晶镍的摩擦系数随孪晶片层厚度减小呈现先增加后下降的趋势。在微米加载尺度(500 – 1000 mN)，超细纳米孪晶结构下降相变能垒，促进摩擦亚表层发生由面心立方(FCC)结构向密排六方(HCP)结构的相变，造成摩擦系数和磨损率均随孪晶片层厚度减小而单调下降。在宏观加载尺度(5 N)，摩擦系数与孪晶片层厚度无显著相关性，但在临界片层厚度(20 nm)以上时，摩擦亚表层形成稳定氧化膜和梯度纳米结构，使材料呈现低磨损特性；而临界片层厚度以下，摩擦亚表层趋于形成脆性纳米晶结构，造成磨损率急剧增加。该工作从材料科学角度揭示了纳米孪晶金属的全尺度摩擦磨损定律及表层变形新机制，为设计低摩擦高耐磨金属材料提供了新思路，丰富了纳米孪晶金属摩擦学的基本理论。
该工作得到了国家自然科学基金重大研究计划重点项目、面上项目、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目等项目支持。