研究背景
摩擦磁化作為一種自然現象被人類認知已有很長時間了，現已在工業中逐漸開始應用（例如磁控摩擦技術、PTFE複合材料耐磨性和磨損狀態檢測技術等）。然而關於該現象的產生原因和形成機理仍然眾說紛紜：一種觀點認為摩擦磁化效應的產生來源於摩擦過程中形成的微米級的磁性顆粒；另一種觀點認為界面的滑動激活作用致使表面的磁疇在地磁場條件下轉向同一方向，從而產生磁化現象。因此，闡明這種自然現象的來源和機理具有重要的科學價值和工程意義。
現階段，國內外對於摩擦磁化現象的研究大多集中於界面摩擦學，獲取的研究結果更類似於摩擦磁化表象的一種描述，且尚未建立過相關的理論模型。根據經典摩擦學理論，如果兩個滑動物體之間存在硬度差，在滑動過程中，較硬物體表面的微凸體會切削較軟一方的物體表面，導致材料表面會產生無約束的塑性流動。因此，在微觀尺度上，界面的剪切不僅會造成表面上的破壞，而且會在界面下產生較大塑性應變、剪切摺疊、堆積和裂紋。根據鐵磁學理論，摩擦行為引起的材料微觀結構的變化會對磁疇的運動、結構產生影響，從而導致磁化特性的畸變。因此，對於摩擦磁化效應的研究，應該聚焦於由界面滑動行為引起的亞表層的微觀結構演化。
前期工作基礎
中國石油大學（北京）高富民（博士），樊建春教授（通訊作者）建立了磁疇組織原位觀測系統，原位觀測了摩擦過程中，滑動接觸區域的磁疇組織變化規律。研究結果表明滑動過程中，摩擦接觸區域的磁疇組織疇壁會變厚、疇壁的間距會增寬、且磁疇組織會轉向垂直於往復滑動的方向，由此推斷該變化可能與接觸區的彈塑性形變有關。該研究成果以題為「In situ observation of the magnetic domain inthe process of ferroalloy friction」發表在Tribology International 2016.
近期突破性研究成果
然而，針對滑動過程中，摩擦接觸區域的彈塑性形變對於磁化效應的具體作用機制尚不清楚。因此，中國石油大學（北京）高富民（博士）申請了中國留學基金委的資助，並聯合英國萊斯特大學Bo Chen教授（通訊作者），對摩擦磁化的產生和演變進行了交叉學科研究（鐵磁學，摩擦學和材料學），揭示了滑動界面下的亞表層區域的重要性。相關研究以題為「Unravelingthe Origin of Tribomagnetization in Ferromagnetic Materials」發表在ACS Applied Materials and Interfaces 2020。
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c15044
該研究聚焦於摩擦磁化的演化與亞表層微觀結構的變化。試驗過程測量了摩擦過程中的摩擦接觸區域的磁場變化規律，並分析了界面的磨損狀態，發現界面的磨損形式與摩擦表面的磁場變化呈現同步關係，並存在四個摩擦磁化階段。而後，截取了不同磁化階段內的磨痕端面，分析了亞表層區域的微觀結構和磁疇組織變化，發現摩擦過程中，界面不同形式的摩擦行為會引起表層及亞表層區域內的幾何必要位錯(GNDs) 密度的增加和高密度位錯區域的擴展，從而引起不同程度的磁化效應的增加。並在該試驗研究的基礎上，建立了基於亞表層彈塑性形變誘導的摩擦磁化模型，實驗結果和模擬結果展現出良好的一致性。同時，通過摩擦磁化模型研究發現，滑動界面的塑性應變和磨痕寬度決定著亞表層區域的幾何必要位錯的發展，從而影響磁化效應。
圖1 摩擦磁化效應的形成機理示意圖 (a)表層及亞表層區域的分析；(b)摩擦磁化模型建立及驗證
總體來說，本研究通過磁疇原位觀測試驗，發現了摩擦磁化效應的產生與滑動過程中亞表層的微觀結構有關；而後結合摩擦學、材料學和鐵磁學等學科理論知識，深入探究滑動過程中亞表層區域微觀結構和磁疇變化，建立了摩擦磁化模型，闡明了摩擦磁化效應的來源。研究結果對於解釋和利用該自然現象奠定了理論基礎。
致謝
感謝英國工程與物理科學研究委員會EPSRC計劃（EP/P025978/1和EP/R043973/1）。本研究由國家自然科學基金資助（51275528）、中國石油大學（北京）科學基金（2462018YJRC035）和國家留學基金委的支持。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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