通常意義上的超低磨損率是指一次滑動過程中只出現單（原子）層量級的磨耗，即10-8mm3N-1m-1的體積磨損率。而展現這種情況的材料屈指可數，如類金剛石、石墨、MoS2/W2，或納米復合PTFE-Al2O3等材料，并且是在特定環境中，確實可實現超低磨損。

桑迪亞國家實驗室（Sandia Nat. Lab）聯合麻省理工學院（MIT）的研究者制備出了一種特殊的Pt-Au合金的納米晶薄膜，在最大赫茲接觸應力高達1.1 GPa 下摩擦，首次實現了單純使用金屬材料來達到與類金剛石-藍寶石摩擦時可以獲得的超低磨損率，其磨損率可低至10?9 mm3 N?1 m?1量級。該研究成果（Achieving Ultralow Wear with Stable Nanocrystalline Metals）于2018年6月發表在《Advanced Materials》雜志上（DOI: 10.1002/adma.201802026）。

一般超低磨損是通過高定向低剪切層狀膜來實現的，傳統金屬一般難于獲得超低磨損率。但是對于金屬來說，通過結晶細化，形成能夠阻止由于熱/機械驅動引起的晶粒生長的晶粒結構，就有可能獲得比傳統合金更低的摩擦和更優異的抗磨損性能。在必須考慮金屬材料本身特性時，如電接觸要求的高電導率時，其接觸表界面的滑動/滾動就需要超低的磨損率來保證長期使用的可靠性。

而要實現超低磨損率需要減緩金屬在周期性接觸應力下的微觀結構演化、缺陷成核，最終磨屑產生。通過減小晶粒尺寸實現金屬的更高硬度（Hall-Petch強化），來提高材料磨損抗力，雖然理論還不明確但實踐中在多種材料上都表明了其相關性。交變接觸應力形成裂紋和疲勞磨損，最后有內聚破壞引起磨屑產生，這一機制通常歸為“剝層磨損機制”。多數大晶粒金屬在循環載荷下出現位錯引起塑性、形核和晶粒粗化。而納米晶金屬不穩定的晶界也可能出現晶粒生長促進開裂。

該文的目的在于證明通過提高納米合金的熱-機械穩定性，能夠減緩較高的接觸應力下應力驅動造成的微觀結構演化，最終抑制剝層磨損。近來的研究模型表明，新的熱力學過程可能通過合金化實現穩定的納米晶。根據吉布斯吸附方程，溶質原子在晶界處的選擇性偏聚，導致界面能下降，即減少了晶界生長的驅動力。若偏聚帶來的能量優勢足夠高，則可實現晶粒生長所需的驅動力的大幅降低，甚至消失。這樣可使晶粒生長動力減緩，或出現納米晶結構的熱力學穩定化。這種效應通過合金中強烈的界面偏聚達到最大，使得晶界偏聚在能量上最易實現形成固溶態或第二相。

Pt和Au理論上顯示了穩定納米晶所需的熱力學特性，純度高、不易氧化、相對小的彈性錯配（4%），使得合金偏聚引起的點陣應變很小。本文展示了Pt.90Au.10（以下簡稱Pt-Au），即Pt和Au的固溶體，具有異乎尋常的納米晶穩定性和超低的磨損率。

作者使用Pt/Au合金靶，通過磁控濺射制備了約1.7微米厚的膜層。利用TEM觀察其斷面呈柱狀晶結構，在膜厚一半位置處進行觀察，其納米晶粒平均尺寸約40納米。EDS面掃和線分析結果表明，Au作為溶質非常明顯地出現在晶界處，呈選擇性偏聚。經500°C一個星期的退火，晶粒大小無明顯變化，顯示出優異的熱穩定性。

為考察此納米晶的機械穩定性，作者使用藍寶石（Al2O3）和氮化硅（Si3N4）球（直徑3.2mm），與不銹鋼基體上約2微米厚的膜層在大氣、常溫（20°C）下進行線性往復干摩擦試驗，載荷1N（應力1.1GPa），沖程1mm，線速度1mm/s，共摩擦10萬次。

作者采用體積磨耗法計算磨損速率，使用布魯克公司生產的Contour GT型白光干涉儀（三維形貌儀）測量對磨副各自的表面磨損后形貌，尤其定量分析磨痕（斑）處的三維數據來準確計算磨損造成的體積變化量。磨痕斷面平均面積（A），磨痕長度（L），總摩擦周次（N），接觸正壓力（Fn），代入公式k（mm3/N·m）=A·L/Fn·N·L進行計算。

作者對比了每組摩擦對偶的磨損情況：圖一為藍寶石和Pt-Au膜磨損的對比。A、B分別為Al2O3和Pt-Au膜磨損后的三維形貌，可以非常直觀清晰地觀察到往復摩擦留下的平行磨痕細節，B圖的高度標尺范圍為40nm，可見膜層總體磨損非常輕微。C圖直接對照了二者磨損后與磨痕方向的垂直斷面的輪廓線，可以看出Pt-Au膜的磨痕寬度約63微米，該位置大部分磨痕深度小于10納米，在10萬次摩擦后，其磨損量非常小，計算磨損率僅為2.6x10-9mm3/ N·m。由于這類摩擦試驗引起的磨損量非常小，對準確測量磨損的深度要求非常高，而布魯克Contour白光干涉儀在高度方向的超高分辨率能確保磨損量的精確評定。

圖二為Si3N4和Pt-Au膜磨損后形貌數據對比。作者認為由于Si3N4球表面粗糙度較大（相對藍寶石），兩摩擦副的磨損率均比藍寶石球對磨時要高很多，從形貌上看塑性變形和犁溝很明顯，但Pt-Au比Si3N4的磨損率仍然小了幾乎一個數量級。

此外，在鍍膜過程中為精確控制Pt-Au成膜厚度到？級別，使用了石英晶振模擬片，每次鍍膜前其厚度監控也都采用布魯克公司的Dektak膜厚儀和TEM斷面兩種方式進行校準。

論文作者總結，大氣環境中合金材料獲得10-9mm3N-1m-1量級的磨損率，得益于Pt-Au超級穩定的納米晶結構。在無潤滑條件下這一新合金材料展示了超低的磨損率和超常的熱/機械穩定性，因而在對能源使用、存儲、輸送提出更高效能要求的今天，尤其電接觸場合下具有廣泛前景。

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論文鏈接：https://10.1002/adma.201802026 

Bruker Dektak 探針式輪廓儀介紹：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/stylus-profilometers.html 

Bruker Contour GT白光干涉顯微鏡介紹：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/3d-optical-microscopes.html