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【科普中國】不怕熱，不怕磨，甚至還能自我修復，科學(xué)家研制出新型陶瓷！
出品丨科普中國
作者丨李紅斌 蘇云峰（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
監制丨中國科普博覽
日常生活中，我們經(jīng)常會(huì )聽(tīng)到各種機器傳來(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(shí)不僅是電風(fēng)扇，在其它大型機械設備，如汽車(chē)、火車(chē)、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(huán)境中工作時(shí)，摩擦和磨損就變得更加嚴重，甚至會(huì )突然卡住或者斷裂，給整個(gè)設備帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險。
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，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硬又不容易斷裂，靠的不是“運氣”，而是從原子開(kāi)始的結構設計！
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小粉末混合在一起，然后在高溫高壓下“燒結”成型。科學(xué)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(huán)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(lái)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(dòng)“調整策略”來(lái)對抗斷裂：在低溫時(shí)，原子層之間的結合相對較弱，這讓裂紋在材料內部拐來(lái)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(shí)，晶粒每個(gè)方向的膨脹程度不一樣。隨著(zhù)溫度升高，為了適應這種變化，晶粒之間會(huì )在邊界處產(chǎn)生應力，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(lài)引入其他潤滑劑，而通過(guò)材料自身特點(diǎn)實(shí)現潤滑功能?？茖W(xué)家在不同溫度下均對它做了摩擦實(shí)驗，發(fā)現從室溫一直到 1000℃，它在與金屬材料接觸摩擦時(shí)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(guò)程中，材料的表面會(huì )發(fā)生一種叫做“摩擦化學(xué)反應”的現象，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)：MoO3，它的結構像一層一層的紙片，具有優(yōu)異的潤滑性能，就像抹上了一層天然潤滑劑；另一種是 TiO2，因其結構中存在一些“氧空位”，也就是缺少一些氧原子，它會(huì )形成一種叫 Ti4O7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“保護膜”。也就是說(shuō)這種陶瓷不但自己沒(méi)怎么磨損，反而因為這層膜越積越厚，看起來(lái)越磨越多，出現了一種罕見(jiàn)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(jiǎn)直是在高溫環(huán)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(tài) 圖片來(lái)源：蘭州化物所
性能優(yōu)勢對比
此前，科學(xué)家們已經(jīng)嘗試用陶瓷材料來(lái)實(shí)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(huì )破壞陶瓷本身的結構完整性，而且這種材料的制造過(guò)程也比較復雜，加工起來(lái)很難做到精準控制。
科學(xué)家另辟蹊徑，發(fā)明了 Ti4MoSiB2 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(guò)一次高溫燒結直接制成，工藝更簡(jiǎn)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(lái)切割，大大提高了加工效率。
在性能方面，這種陶瓷比傳統陶瓷的優(yōu)勢在于：
·力學(xué)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(shí)，不僅摩擦力小、磨損少，還能在某些條件下實(shí)現“負磨損”，比目前已知的大多數同類(lèi)型材料都更出色。
可以說(shuō)，它是目前類(lèi)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(guān)材料力學(xué)（a）與磨損特性對比（b）圖片來(lái)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(fā)動(dòng)機中，一些關(guān)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(dòng)靈活。Ti4MoSiB2 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)境設備中，幫助整個(gè)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(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，甚至深空探測領(lǐng)域，看到這種“越磨越強”的陶瓷發(fā)揮它的作用。
