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日常生活中，我们经常会听到各种机器传来的吱呀吱呀的声音，比如电风扇用久了就会很吵。这是因为机器中的零件用太久磨损了，一般情况下，往其中滴入一些润滑油就能大大改善这种情况。
图片来源：新华社
其实不仅是电风扇，在其它大型机械设备，如汽车、火车、飞机甚至是火箭和空间探测器等，都有一些零件处于高速运转中。尤其是这些部件在 几百度甚至上千度的高温环境中工作时，摩擦和磨损就变得更加严重，甚至会突然卡住或者断裂，给整个设备带来巨大的安全风险。那么，有没有一种材料，不但能承受极端高温，还能在摩擦中变得更强，甚至“越磨越新”？虽然听起来很不可思议，但这并非不切实际的幻想，中国的科学家就做到了这一点。
从原子层面搭建出来的新材料
要让材料在高温下既坚硬又不容易断裂，靠的不是“运气”，而是从原子开始的结构设计！
在材料科学中，有一种叫做粉末冶金的方法，简单来说就是把各种金属或非金属的细小粉末混合在一起，然后在高温高压下“烧结”成型。科学家把钛(Ti)、钼(Mo)、硅(Si)、硼(B)四种元素的超细粉末按照特定比例倒入模具，在高温高压下烧制出在原子尺度上精密堆叠的陶瓷，简单来说，就像是制作千层酥一样。这种陶瓷内部结构的排列方式使其不仅强度高、硬度大，还能在室温到1000℃的高温环境中稳定工作，不轻易变形或断裂。
Ti4MoSiB2陶瓷的晶体结构
（图片来源：兰州化物所）
更神奇的是，这种陶瓷材料还能根据温度变化自动“调整策略”来对抗断裂：在低温时，原子层之间的结合相对较弱，这让裂纹在材料内部拐来拐去“走迷宫”，因而不易迅速扩展；但在 高温下，由于材料内部的晶粒是随机分布，而且在加热时，晶粒每个方向的膨胀程度不一样。随着温度升高，为了适应这种变化，晶粒之间会在边界处产生应力，使边界变得更容易开裂。这会让材料在高温下从晶粒之间断裂，而非从晶粒内部断裂，这种方式能提高材料在高温环境下抵抗破坏的能力。
低温400℃下穿晶断裂（a）和高温800℃下沿晶断裂（b）特征
（图片来源：兰州化物理所）
除了以上的坚硬和抗断裂之外，这种陶瓷还有自润滑的功能。所谓的自润滑指的是不依赖引入其他润滑剂，而通过材料自身特点实现润滑功能。科学家在不同温度下均对它做了摩擦实验，发现从室温一直到1000℃，它在与金属材料接触摩擦时表现出非常好的高温润滑和耐磨效果。
它之所以具有自润滑特性，是因为在高温摩擦的过程中，材料的表面会发生一种叫做“摩擦化学反应”的现象，也就是边摩边发生化学变化。这个过程中会生成两种关键物质：MoO ，它的结构像一层一层的纸片，具有优异的润滑性能，就像抹上了一层天然润滑剂；另一种是TiO ，因其结构中存在一些“氧空位”，也就是缺少一些氧原子，它会形成一种叫 Ti O 的物质，而且表面原子排布也会发生变化。这些空位能减少表面之间的阻力，让材料滑得更顺畅，也不容易磨损。
更厉害的是，这种陶瓷在摩擦后，表面还会被这些氧化物覆盖，形成一层“保护膜”。也就是说这种陶瓷不但自己没怎么磨损，反而因为这层膜越积越厚，看起来越磨越多，出现了一种罕见的现象，叫做“负磨损”。
这种陶瓷不仅自己保护得很好，连与其对摩的金属也磨损得更少了，这种效果简直是在高温环境下工作的机械设备的福音！
1000℃下摩擦30 min（a）和1000℃下摩擦180 min（b）后材料磨损表面形态
（图片来源：兰州化物所）
性能优势对比
此前，科学家们已经尝试用陶瓷材料来实现自润滑的效果。传统方法是往陶瓷中添加润滑剂，比如石墨、二硫化钼、氮化硼等。但这些润滑剂会破坏陶瓷本身的结构完整性，而且这种材料的制造过程也比较复杂，加工起来很难做到精准控制。
科学家另辟蹊径，发明了 Ti MoSiB 陶瓷，它是一种单一成分、统一结构的陶瓷，不需要额外添加润滑剂，就能在高温下自我润滑。而且它可以通过一次高温烧结直接制成，工艺更简单，结构更稳定。因其具备导电性能，还可以用电火花加工这种常用的方法来切割，大大提高了加工效率。
在性能方面，这种陶瓷比传统陶瓷的优势在于：
力学性能方面，它在常温到1000℃的广泛温度范围内都能保持高强度和不易断裂的特性；
摩擦性能方面，它在和金属材料摩擦时，不仅摩擦力小、磨损少，还能在某些条件下实现“负磨损”，比目前已知的大多数同类型材料都更出色。
可以说，它是目前类似陶瓷材料中，兼顾强度、稳定性、耐磨性和润滑性的全能型选手。
相关材料力学（a）与磨损特性对比（b）
（图片来源：兰州化物所）
正是由于它的这些强大性能，使其具备了非常广阔的应用前景。比如在航空发动机中，一些关键部件需要在上千度的高温下变换几何结构，这些零件不能变形、不能断裂、还得滑动灵活。Ti MoSiB 陶瓷就非常适合用来制作这些高温滑动部件，还能用在像高温轴承这样的极端环境设备中，帮助整个系统变得更稳定、更耐用。
更重要的是，这项研究展示了一种全新的材料设计思路：**不再把“强度”和“功能”分别添加，而是把它们融合在同一种材料中。**这种“结构-功能一体化”的思路，不仅为未来更多高性能材料的开发指明了方向，也让我们看到了材料科学正在不断突破的边界。
或许在不久的将来，我们会在航空、航天，甚至深空探测领域，看到这种“越磨越强”的陶瓷发挥它的作用。
出品：科普中国
作者：李红斌 苏云峰（中国科学院兰州化学物理研究所）
监制：中国科普博览
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