研究背景

近年來研究發(fā)現(xiàn)，通過溶質(zhì)偏析改變晶界能，可使一些二元合金獲得熱穩(wěn)定的納米晶結(jié)構(gòu)。已有研究展示了這類合金卓越的熱穩(wěn)定性，許多合金在長時間接近熔點溫度的環(huán)境下，晶粒生長現(xiàn)象極不明顯。超低磨損材料通常指磨損率在單原子層量級，即特定磨損率低于10−8 mm3 N−1 m−1的材料。像類金剛石碳（DLC）、石墨、金屬二硫化物（如MoS2和WS2 ）、金屬氮化物、碳化物（如Si3N4和 WC ）、半導(dǎo)體（如 GaN）以及部分聚合物納米復(fù)合材料（如 PTFE - 氧化鋁）等都屬于此類。但金屬材料作為一個類別，以往很少能達到超低磨損標(biāo)準(zhǔn)。

部分材料如石墨和金屬二硫化物，依靠形成高度有序、低剪切強度的層狀表面膜來降低摩擦和提高耐磨性，不過這種機制僅在特定環(huán)境下有效。對于金屬而言，表面微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化與摩擦和耐磨性改善相關(guān)，這意味著能抵抗熱和機械驅(qū)動晶粒生長的合金，理論上應(yīng)比傳統(tǒng)合金具備更低摩擦和更高耐磨性。

在金屬摩擦過程中，循環(huán)接觸應(yīng)力會引發(fā)金屬變形，進而致使微觀結(jié)構(gòu)演變、缺陷成核，最終產(chǎn)生磨損顆粒。對于納米晶金屬，當(dāng)表面應(yīng)力不超其流動應(yīng)力時，磨損主要由疲勞主導(dǎo)，即接觸應(yīng)力反復(fù)循環(huán)形成裂紋，導(dǎo)致內(nèi)聚失效產(chǎn)生磨損顆粒，這一過程被稱為 “分層磨損機制”。大多數(shù)粗晶金屬在循環(huán)加載下會發(fā)生位錯介導(dǎo)的塑性變形、胞狀結(jié)構(gòu)形成和晶粒細(xì)化，而晶界不穩(wěn)定的納米晶金屬在循環(huán)加載時可能出現(xiàn)晶粒生長，這會促進裂紋形成，增加了實現(xiàn)金屬超低磨損的難度。

實驗方法

材料制備：用直流磁控濺射法在低溫下制備Pt90Au10薄膜，膜厚精度達埃級，成分經(jīng)波長色散光譜驗證。

摩擦磨損測試：定制線性往復(fù)摩擦計，在特定溫濕度條件下，用不同材質(zhì)球體在薄膜上往復(fù)滑動，用掃描白光干涉儀測磨損率。

微觀結(jié)構(gòu)表征：用透射電鏡觀察薄膜微觀結(jié)構(gòu)，用能譜儀分析成分，樣品退火后用聚焦離子束法制備 TEM 樣品。

研究結(jié)果與討論

研究圍繞 Pt - Au 合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、摩擦磨損性能及磨損機制展開。通過掃描透射電鏡（STEM）和能譜儀（EDS）分析，發(fā)現(xiàn) Pt - Au 薄膜呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)，具有較大的晶粒縱橫比。Au 在晶界和三重結(jié)處偏聚，同時在相鄰晶粒內(nèi)部出現(xiàn)溶質(zhì)貧化區(qū)，且 Au 的分布高度不均勻。該薄膜展現(xiàn)出非凡的納米晶熱穩(wěn)定性，在 500°C 退火 1 周后，晶粒尺寸無明顯變化。

Figure 1. A) STEM-HAADF images of a cross-sectional view of as-deposited Pt–Au films.B) Plan-view EDS composition map showing heterogeneous Au segregation. Also shown is a quantitative line scan of Au concentration across the dashed line showing preferential segregation (i.e., above theglobal mean composition) to grain boundaries.

在實驗室空氣中，Pt - Au 薄膜的磨損率低至(3×10−9±1×10−9)mm3N−1m−1 ，與類金剛石碳（DLC）和藍寶石相當(dāng)，優(yōu)于傳統(tǒng)納米晶金屬，且在磨損實驗中，其磨損率比更硬的藍寶石和Si3N4探針更低或與之相近。退火處理對 Pt - Au 薄膜的磨損率沒有影響，這表明其在不同熱狀態(tài)下都能保持優(yōu)異的耐磨性。摩擦系數(shù)在 0.2 - 0.3 之間，與文獻中納米晶金屬的報道相符。使用Si3N4球時，摩擦系數(shù)會逐漸增加，這是由于Si3N4球表面粗糙度較高，且其磨損顆粒會轉(zhuǎn)移并嵌入 Pt - Au 薄膜中，導(dǎo)致表面粗糙度增加，進而使摩擦系數(shù)增大。

Figure 2. A) Cycle average friction coefficients for sapphire and Si3N4 spheres sliding against Pt–Au films in as-deposited and annealed conditions. B) Friction coefficients and specific or volumetric wear rate map of tribological materials including the present results with Pt–Au sliding against sapphire.

由于藍寶石球表面相對光滑，接觸應(yīng)力在 Pt - Au 薄膜的疲勞 endurance limit 以下，從而抑制了裂紋的形核與擴展、應(yīng)力誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變和晶粒生長，有效抑制了疲勞驅(qū)動的磨損。而Si3N4球的磨損率較高，是因為其自身的疲勞磨損導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移到 Pt - Au 薄膜中，使得 Pt - Au 薄膜的磨損軌道內(nèi)出現(xiàn)體積增加的現(xiàn)象。

Figure 3. Surface topographical area scans of: A) the worn sapphire ball and B) the Pt–Au wear track near the middle of the track after 100k sliding passes. C) Representative cross-sectional wear depth plots of the ball and Pt–Au wear track. D) Representative cross-sectional STEM inside the wear track. E) Plan-view back-scattered SEM image of wear track where FIB lift-out was taken.

Pt - Au 薄膜的超低磨損率表明，其磨損機制可能主要為原子磨損，這種磨損機制此前僅在如 DLC 等高度耐磨的材料中出現(xiàn)。該研究首次證明了金屬材料也能實現(xiàn)這種低磨損機制，意味著通過提高納米晶合金的熱機械穩(wěn)定性，可以有效抑制傳統(tǒng)納米晶合金中常見的疲勞驅(qū)動分層磨損。Pt - Au 薄膜不僅具有超低磨損率和良好的摩擦性能，還具備出色的熱機械穩(wěn)定性。在 500°C 退火后，其摩擦和磨損性能與退火前相比幾乎沒有差異。此外，該合金的電阻率約為 30 nΩ?m，僅為粗晶純銅的 1.8 倍，這一特性在需要良好導(dǎo)電性的應(yīng)用中具有重要意義。

Figure 4. Surface topographical area scans of: A) the worn Si3N4 ball and B) the Pt–Au wear track near the end of the track after 100k sliding passes. C) Representative cross-sectional wear depth plots of the ball and Pt–Au wear track. D) Plan-view BSD and E) EDS of the wear track surface.

該研究成果為未來的研究指明了重要方向。在技術(shù)層面，Pt - Au 合金在非潤滑滑動條件下的超低磨損率和卓越的熱機械穩(wěn)定性，使其在電氣接觸領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在對能源使用、存儲和傳輸效率要求日益提高的背景下。在納米和微機電設(shè)備領(lǐng)域，該合金有望解決應(yīng)力和溫度驅(qū)動的晶粒生長、氧化以及絕緣有機膜形成等問題，推動相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。此外，該合金在疲勞抗性和高強度方面的表現(xiàn)，也為其作為結(jié)構(gòu)材料的研究提供了有前景的方向。