摩擦是如何誘發材料結構發生演變的？專家指導

2020-09-06 迪新材料科普南喬

摩擦是如何誘發材料結構發生演變的？

How Is Microstructure Evolution of Materials Induced

by Sliding Friction?

雖然材料家族日益豐富，但當今乃至未來的摩擦學材料仍將以結構材料和表面塗層為首選。人們發現在實際的摩擦磨損過程中摩擦副因熱力耦合作用會誘發表層材料發生結構演變，使其物理性質、力學性能和對環境的響應特性均有別於基體。典型的例子如具有亞穩結構的奧氏體不鏽鋼、相變誘發塑性（TRIP）鋼、形狀記憶合金、高嫡合金等。但前人的研究重點關注宏觀的摩擦磨損行為，對微觀乃至納觀的因摩擦應力或應變誘發的結構演變行為與摩擦學性能的關係並未予以足夠重視。例如，雖然有大量的關於塗層的摩擦化學效應及其對摩擦學特性影響的研究並取得了一定的成果，但尚未建立接觸表面化學特性如何控制摩擦學行為的理論，界面化學鍵的形成和斷裂如何控制摩擦磨損行為的機理也不明確。因此，研究摩擦如何誘發材料結構發生演變及其與摩擦學行為間的關係，進而構建考慮摩擦誘發表層材料結構轉變效應的摩擦學理論是值得重點關注的科學問題。

在摩擦磨損過程中，表層材料的結構演變是一種對外在環境的自響應或自適應行為[1]，如FCC（面心立方）結構的奧氏體是一種在一定外在條件（壓力、溫度等）下處於熱力學非平衡態的材料微觀結構，當能量條件有利時會轉變為穩態結構且性能強化的物相[2]，即摩擦應力/應變誘發的相變增韌或原生第二相強化會改變材料的摩擦學性能。當摩擦應力未達到觸髮結構轉變的臨界點時，材料的磨損與穩態材料（如陶瓷材料）的類似；當發生結構轉變時，因消耗摩擦功和鬆弛內聚微觀應力，材料的摩擦學行為將發生改變；當外力過大，超過基體塑性變形的臨界應力時，材料會在摩擦誘髮結構轉變前發生嚴重變形，導致表層材料中微觀缺陷的產生、堆積和纏結，微裂紋形成、擴展和破壞甚至焊合，如 Fe-Mn-Si形狀記憶合金因摩擦誘發的結構轉變所呈現的磨損規律就符合Cheng等[3,4]提出的FCC金屬從弱黏著抗力的材料向強黏著抗力的BCC（體心立方）材料轉移的觀點。此外，環境介質與基體表面在摩擦過程中發生摩擦化學反應生成異於基體結構和性能的產物，例如，摩擦表面氧化物以及塗層材料摩擦誘發的結構異化，如DLC膜（類金剛石膜）的石墨化等，也會影響材料的摩擦磨損行為。基於嚴重塑性變形的表面納米化技術[5]賦予材料優良摩擦學性能的核心在於晶粒的納米化和表層碳化物/化合物的碎化和溶解所致的基體硬化或軟化，其原理與摩擦磨損過程中摩擦誘發表層材料的結構演變如出一轍。

總之，摩擦誘發材料的結構演變是一種吸收機械能、降低相界面應力集中和延緩微觀缺陷形成和累積、減少變形和抑制缺陷形成以及裂紋擴展的自調適行為，從而有利於減輕磨損[6]。顯然，結構演變行為與摩擦誘發的表層材料的應力應變狀態、加工硬化/軟化行為、溫度、環境介質以及材料成分和結構密切相關[7,8]，但由於摩擦磨損過程的黑箱屬性，摩擦誘發的材料結構轉變與摩擦學性能間的關係至今尚未建立，導致其對摩擦學行為的正負影響未見釐清。為此，應進一步加強如下科學問題的研究：

(1)摩擦誘發材料的表層結構演變如何影響摩擦學性能；

(2)摩擦誘發材料的結構演變對表層中裂紋和磨屑形成的阻抑機制；

(3)摩擦誘發材料的結構演變所致的原生強化/硬化對摩擦副壽命的貢獻；

(4)摩擦誘發材料的結構演變的形核機制及其動力學行為以及與熱誘發的結構轉變的關聯；

(5)結合計算機技術和實驗技術，揭示摩擦磨損過程中與摩擦磨損的瞬態機理相關的黑箱行為；

(6)通過揭示摩擦誘發材料的結構演變行為，指導設計或製備原生強化型複合材料或具有能量耗散功能和自適應能力的智能結構塗層。


參考文獻

[1] Wu S K, Lin H C, Yeh C H. A comparison of the cavitation erosion resistance of TiNi alloys, SUS304 stainless steel and Ni-based self- fuxing alloy. Wear, 2000, 244: 85.

[2] 徐祖耀. 馬氏體相變與馬氏體. 北京:科學出版社,1999.

[3] Cheng L H, Rigney D A. Transfer during unlubricated sliding wear of selected metal systems.Wear, 1985, 105: 47.

[4] Cheng L. H, Rigney D A. Adhesion theories of transfer and wear during sliding of metals. Wear,1990,136: 223.

[5]Liu X C, Zhang H W, Lu K. Strain-induced ultrahard and ultrastable nanolaminated structure in nickel. Science, 2013, 342(6156): 337.

[6] Pena J, Gil F J, Guilemany J M. Effect of microstructure on dry sliding wear behaviour in CuZnAl shape memory alloys. Acta Materialia, 2002, 50(12): 3117.

[7] Wei X C, Hua M, Xue Z Y, et al. Evolution of fiction-induced microstructure of SUS 304 meta-stable austenitic stainless steel and its infuence on wear behavior. Wear, 2009, 267(9-10):1386-1392.

[8] Rigney D A. Large strains associated with sliding contact of metals. Materials Research Innovations, 1998, 1:231.


撰稿人：韋習成1、李 健2、 Hua Meng3、周 峰4、王海鬥5

1上海大學、2武漢材料保護研究所、3香港城市大學、

4中國科學院蘭州化學物理研究所、5陸軍裝甲兵學院

來自暨南大學摩擦學研究所

http://trib.ujn.edu.cn/info/1081/1472.htm


相關焦點

  • 石墨烯摩擦表界面結構演變研究取得新進展
    石墨烯具有獨特的二維薄層結構，是一種極具潛力的新型潤滑材料。近年來研究表明，具有原子厚度的石墨烯不僅在微觀接觸尺度下具有超滑特性，而且在宏觀接觸方式下也展現出非凡的摩擦學特性，但是均強烈依賴於理想的石墨烯表界面結構。因此實現石墨烯摩擦表界面結構的調控對於獲得優異的摩擦學性能並推動其實際應用具有十分重要的意義。
  • 環境影響評價師考試複習指導:了解邊界層結構及其生消演變規律
    1.邊界層結構。受下墊面影響的幾公裡以下的大氣層稱為邊界層，大氣邊界層是對流層中最靠近下墊面的氣層，通過湍流交換，白晝地面獲得的太陽輻射以感熱和潛熱的形式向上輸送，加熱上面的空氣，夜間地面的輻射冷卻同樣也逐漸影響到上面的大氣，這種熱量輸送過程造成大氣邊界層內溫度的日變化。
  • 蘭州化物所苛刻條件下聚醯亞胺摩擦性能研究取得系列進展
    聚醯亞胺在真空中呈現出了良好的摩擦磨損性能。然而，目前為止有關質子輻照深度與磨損機理演變關係方面的報導較少。結果表明，質子照射（照射深度為514nm）引起鍵斷裂使得聚醯亞胺表面形成了富碳結構，從而增強了聚醯亞胺的表面硬度和表面能，使其變得硬而脆。　　通過對經輻照的聚醯亞胺進行摩擦試驗發現，摩擦係數的變化與材料表面息息相關。
  • 相同的材料相互摩擦,會產生靜電嗎?
    只要這種結構保持不變，氣球就會一直粘在牆上，因為由於靜電的緣故，電力會把氣球固定在原地。但這就是我們在初中學到的靜電原理。很簡單，對吧？但是，這太簡單了！事實證明，這種說法並不完全正確。為什麼呢？想像一下，如果我們用兩種完全相同的材料，比如兩張辦公用紙，會發生什麼？
  • Nature Communications：注水誘發地震與孔隙壓力變化速率的關係
    在這些問題當中，地下水汙染可以通過嚴格的固井和防漏措施來避免，但誘發地震卻尚無可供實施的切實有效的解決方案。自上世紀60年代美國落基山兵工廠發生第一次注水誘發地震（Healy et al., 1968）以來，全世界出自各種原因的注水誘發的地震已超過200次（Foulger et al., 2018）。
  • 雷射誘導的MoS 2皺摺結構，可增強觸覺傳感器的摩擦起電效率
    雷射誘導的MoS 2皺摺結構，可增強觸覺傳感器的摩擦起電效率導讀：二維（2D）過渡金屬二硫化碳（TMDC）納米材料目前被視為下一代電子材料，用於未來的柔性，透明和可穿戴電子產品。問題是如何持續為連接到系統的無數電子設備供電。這是因為使用常規的充電和更換方法難以減小電池的尺寸和重量。而摩擦發電機是能為該問題提供基本解決方案的技術之一。它通過不同材料之間的接觸感應摩擦電，從而以半永久方式產生能量，就像在日常生活中如何產生靜電一樣。
  • 材料的摩擦係數與溫度的關係
    1、摩擦係數 摩擦係數是對兩表面摩擦力的一種量度，它表徵了材料的摩擦行為。薄膜表面的摩擦係數取決於薄膜表面的粘著性（表面張力和結晶度）、添加劑（爽滑劑、顏料等）、以及表面拋光。
  • 【材料】利用磁性複合材料的非接觸摩擦納米發電機
    傳統能源如石化能源的巨大消耗，導致了日益嚴重的溫室氣體效應和其它環境汙染，如何收集綠色能源諸如太陽能、風能與環境機械能，成為了各界關注的熱點。相比於傳統太陽能電池的複雜製備方式，基於摩擦生電原理而誕生的摩擦發電機具有製備簡單、高能源轉化率等優勢，能夠有效地將環境機械能轉換為電能。
  • J Cell Biol:基因突變如何誘發諸如帕金森等神經性疾病的發生?
    2019年1月8日 訊 /生物谷BIOON/ --多個基因的突變與帕金森疾病直接相關，但目前研究人員並不清楚這些基因突變是如何影響個體患上帕金森疾病的；近日，一項刊登在國際雜誌The Journal of Cell Biology上的研究報告中，來自耶魯大學的科學家們通過研究重點對一種誘發家族性帕金森疾病的基因突變進行研究，他們發現，該基因能夠編碼一種特殊蛋白
  • 超高摩擦電荷密度刷新摩擦納米發電機性能紀錄
    因此，人們一直致力於通過改善材料、結構優化和表面修飾等方法來提高摩擦電荷的密度，但此前所有研究中的可利用摩擦電荷密度都受到空氣擊穿現象的困擾。近日，在中國科學院外籍院士、中科院北京納米能源與系統研究所所長、喬治亞理工學院校董教授王中林的指導下，王傑、吳昌盛和戴葉婧等首次利用真空環境和鐵電材料將可輸出摩擦電荷密度提高了一個數量級、最大輸出功率密度提高了兩個數量級。
  • 追求「零」摩擦之境–結構超滑技術與科學
    其表面絕對光滑，不會有任何摩擦磨損，材料強度極高。 在劉慈欣的著名科幻小說《三體》三部曲中，三體文明的宇宙探測器 「水滴」 無疑是極強大又極唯美、令人震撼的存在。「水滴」 這名稱來自探測器的外形（圖 1）。在小說的設定裡，由於 「水滴」 表面的所有原子都被強相互作用力死死地釘在一起，其表面呈現出原子級的絕對光滑，不會有任何摩擦和磨損。
  • 進展 | 高壓誘發的量子自旋液體材料的Mott相變和超導
    早期研究都集中在有機量子自旋液體候選材料（Phys. Rev. Lett. 95(2005) 177001）。但是，對於結構複雜的有機物來說，系統通常會伴隨著非常強的無序效應，這為研究Mott相變以及超導行為的本徵物性帶來了非常多的幹擾。
  • 新中國產業結構發展演變歷程及啟示
    以此為方向，我國產業結構演變將呈現四大趨勢: 服務引領、製造支撐是產業結構升級的主基調；產業融合發展成為產業結構演變的主要方向；行業分化將成為產業結構演變的常態；生產性服務業在「補空缺」和「走出去」中有望加快發展。
  • 冬季靜電惱人 摩擦生電瞬間可帶電7000伏
    又該如何消除惱人的靜電呢？ 　　【記者實驗：摩擦生電瞬間可帶電7000伏】 　　靜電是一種因摩擦起電、感應起電等引發的自然物理現象，為什麼一到冬天，就會感覺靜電特別多呢？專家表示，這是因為天氣乾燥，空氣和人體導電能力差，物質之間容易摩擦生電的緣故。在專家的指導下，記者用實驗來測試一下靜電的威力到底有多大。
  • ACS Applied Materials & Interfaces:磷摻雜物種在石墨烯中的結構演變及其穩定電化學界面研究
    雖然目前磷摻雜炭材料已經有大量研究，但由於常規磷摻雜炭材料的孔結構發達，含氧官能團豐富，使得大量的磷摻雜物種不可避免地被包埋入複合碳基體中，這種磷物種的不充分暴露性和可獲得性差導致了關於碳晶格中磷物種的存在形式，結構演變規律和電化學行為作用機制上的認識有許多模糊的地方。對於這方面認識的不充分性，很大程度上阻礙了對於設計更加合理的新型高性能磷摻雜炭材料的進程。
  • 研究觀察到石墨烯拓撲缺陷結構動態演變
    圖1 （a）C-C鍵90°旋轉；（b）Si原子競爭佔位；（c）Si原子團簇60°旋轉 最近，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室固體原子像研究部楊志卿副研究員、先進炭材料研究部尹利長副研究員等與美國橡樹嶺國家實驗室研究人員合作
  • 靜電的產生只是摩擦摩擦這麼簡單?
    不管物體表面看起來有多光滑，當你足夠近地放大時，會注意其凹凸不平的部分，科學家稱這樣的結構為「表面微凸體」，每一個物體表面，從氣球到羊毛或者頭髮等纖維，都覆蓋著顯微鏡下才能看到的結構當兩個物體的表面互相摩擦時，它們的表面微凸體會彼此作用產生靜電，在這項最新研究中，米茲和同事展示了摩擦物體如何產生電荷的驚人效果。靜電的不同尋常之處在於，其最容易用絕緣體產生，這些絕緣體包括：橡膠、羊毛、頭髮等。
  • 攪拌摩擦焊:低成本焊接鋼板等高熔點材料
    旋轉的攪拌針與板材之間產生的摩擦熱，會使攪拌針周圍的金屬軟化為粘液狀，旋轉的攪拌針藉此插入板中。這樣一來，攪拌針周圍軟化了的金屬便會混合在一起（發生塑性流動），使兩塊金屬板融為一體，或是在兩塊金屬板的接合面形成金屬鍵，使二者融為一體。
  • 納米發電機:摩擦也能帶來「正能量」
    摩擦生電，是個盡人皆知的事情，初中物理電學部分的第一課就是摩擦起電，而乾燥環境下由於摩擦而造成的靜電常常讓人頭疼不已。既然生活中摩擦無處不在，如何讓這個令人厭煩的問題變成人見人愛的「正能量」？2011年，一個偶然的機會，王中林團隊發現表面上修飾著納米結構的塑料薄膜，互相摩擦產生的靜電電壓電流是過去用壓電產生的幾十倍，這個發現讓他們興奮異常。之後經過一年多的研究，使得輸出功率提高了五個數量級。通過實驗驗證這種摩擦納米發電機，其機械能轉化效率是50%—80%，真是驚人啊！
  • 疫情防控常態化下如何科學健身?專家給出權威指導
    人民網北京8月10日電 （記者崔元苑）在第12個全民健身日之際，中國疾控中心流行病學首席專家吳尊友，北京體育大學教授王正珍做客人民網·人民健康聯合中國疾控中心慢病中心共同推出的「2020年全民健身日系列訪談」，圍繞「疫情防控常態化下的科學健身」回應了網友關切並提出指導建議