鈦基復合材料憑借優異的比強度、比剛度和耐腐蝕性，在航空航天、海洋工程、高端裝備等領域具有廣闊應用前景。然而，鈦合金在重載滑動工況下易發生嚴重的粘著磨損和塑性變形，限制了其在關鍵摩擦副部件中的進一步應用。氮化硼納米片（BNNS）作為典型的二維自潤滑增強相，為鈦基復合材料的性能提升提供了新思路，但燒結過程中 BNNS 與鈦基體的界面演化及其對摩擦學行為的調控機制尚不明確。

近日，常州工學院劉振強博士、江蘇大學王勻教授團隊聯合中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料全國重點實驗室，提出了一種通過直流燒結（DCS）調控界面演化的新策略，成功在鈦基復合材料中構建了三維納米刷構型增強相，實現了高載下耐磨性能的顯著提升。相關成果以 “Enhancing high?load wear resistance in titanium matrix composites with nano?brush?like configurations: Experiments and molecular simulations” 為題，發表于國際摩擦學頂級期刊 Tribology International。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.triboint.2026.112091

研究發現，通過精準控制直流燒結時間，可以實現復合材料界面結構的可控演化：從初始的BNNS，經原位反應生成BNNS/TiB組成的三維納米刷構型，最終轉變為粗化的TiB晶須。在相同溫度條件下，不同的界面構型顯著影響材料的摩擦學行為與力學性能。隨著燒結時間的變化，含納米刷構型的復合材料展現出與傳統晶須增強材料截然不同的性能優勢。

圖1 BNNSs/Ti6Al4V復合材料與TiB/Ti6Al4V復合材料的制備工藝示意圖

圖2 材料形貌表征：(a1) 0.5 vol% BNNSs/Ti6Al4V混合粉末；(a2) Ti6Al4V粉末表面的BNNSs；(b1) 5-TMC的微觀組織；(b2) 5-TMC中的刷狀構型；(c1) 15-TMC的微觀組織；(c2) 15-TMC中粗化的TiB晶須

摩擦磨損實驗表明，含納米刷構型的復合材料（5-TMC）在高載工況下的耐磨性能得到了突破性提升：在20 N載荷下，其磨損率僅為57.0×10?? mm3·N?1·m?1，相較于TiB晶須增強復合材料降低了約25%，相較于Ti6Al4V基體降低了約31%。同時，其摩擦系數在高載下也表現出更低、更穩定的特征，展現出優異的摩擦學穩定性。

圖3 材料的摩擦磨損性能：不同材料在2 N (a)、10 N (b)、15 N (c)和20 N (d) 載荷下的典型摩擦系數曲線；不同載荷下各材料的平均摩擦系數(e)及磨損率(f)變化曲線

為了深入揭示其內在機理，團隊結合分子動力學模擬，從原子尺度闡明了納米刷構型的強化與潤滑協同機制：

1.強界面承載效應：納米刷構型與鈦基體形成半共格強結合界面，形成了強約束界面網絡。在高載滑動過程中，該界面可高效承載并分散接觸應力，避免了基體因局部應力過載而發生的早期塑性流變，為材料提供了優異的抗塑性變形與抗磨損失效能力；

2.原位自潤滑作用：滑動過程中，BNNS被剪切剝離，原位形成連續的保護性潤滑膜，有效降低了界面剪切阻力；

3.位錯調控與應變硬化：TiB納米線對鈦基體中的位錯起到了強烈的釘扎作用，延遲了塑性變形的起始，并促進了位錯的增殖與儲存，實現了優異的應變硬化效果，有效抑制了磨粒的犁削作用。

圖4 納米劃痕分子動力學模擬過程中摩擦系數(COF)、切向力(Fx)與法向力 (Fz)的變化：(a1-a2) 2 ?；(b1-b2) 6 ?；(c1-c2) 10 ?

圖5 (a) BNNSs/Ti界面與BNNSs-TiB/Ti界面的壓痕載荷-位移曲線；(b) 兩種模型的位錯密度變化；(c, d) 兩種模型弛豫后的晶格畸變程度（原子按位移程度著色）

圖6 不同壓痕深度下BNNS/Ti模型與BNNS-TiB/Ti模型的缺陷形核與演化（圖中隱藏了基體）

圖7 BNNS/Ti界面 (a) 與刷狀BNNS-TiB/Ti界面 (b) 磨損行為的機理示意圖

該研究為面向重載極端工況的鈦基復合材料界面設計提供了全新策略，對拓展鈦基復合材料在高端裝備關鍵摩擦副中的工程應用具有重要價值。

論文第一作者為常州工學院劉振強博士，通訊作者為江蘇大學王勻教授。研究工作得到了海洋關鍵材料全國重點實驗室開放基金、江蘇省高校自然科學基金、國家自然科學基金等項目的支持。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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