南京理工陈翔团队《Physical Review Letters》：揭示纳米孪晶金属全尺度摩擦磨损标度律

2025年4月22日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）正式刊发了题为“Full-scaling friction and wear laws of nanotwinned metals”（纳米孪晶金属全尺度摩擦磨损标度律）的研究论文。南京理工大学为论文第一完成单位，南京理工大学陈翔教授和中国科学院宁波材料技术与工程研究所常可可研究员为共同通讯作者，南京理工大学林研、张子悦和香港城市大学段峰辉为论文共同第一作者。

纳米孪晶（Nanotwinned，NT）金属因其高密度孪晶界（Twin boundaries，TBs）和纳米尺度孪晶片层厚度（λ），展现出优异的机械强度、结构稳定性、电导率和损伤容限。最近20年，纳米孪晶金属的研究已从初期的性能表征，发展到揭示突破传统标度律和新型变形机制。例如，当孪晶片层厚度小于某一临界值时，纳米孪晶Cu的拉伸变形机制由位错在孪晶界处塞积转变为不全位错诱导的孪晶界迁移与退孪生，从而表现出Hall-Petch软化现象，即强度随片层厚度减小而降低。相反，在纳米孪晶Ni中，由于孪晶界稳定性增强，导致位错持续塞积以及变形过程形成二次孪生，其压缩强度/硬度随孪晶片层厚度减小而持续上升。摩擦和磨损是造成材料性能退化和能量耗散的重要因素，全世界三分之一的能量以各种形式消耗在摩擦磨损上，不仅取决于接触界面特性，也与材料的宏观力学响应密切相关。然而，摩擦加载诱导的塑性变形远比单轴加载更为复杂，且受外部加载尺度的影响，这导致揭示摩擦加载下孪晶片层厚度依赖的标度律及变形机制面临严重挑战。因此，迫切需要建立全尺度（不同摩擦加载量级）下孪晶片层厚度依赖的摩擦磨损标度律，以期为不同摩擦学工况下纳米孪晶金属的性能调控提供理论依据。

针对上述难题，陈翔教授和常可可研究员团队以电沉积纳米孪晶Ni（孪晶片层厚度从2.9至81 nm精确可控）为研究对象，通过原子力显微镜、微米划擦及宏观摩擦实验，结合亚表层显微结构分析、分子动力学模拟及第一原理计算，系统建立了纳米孪晶金属中孪晶片层厚度相关的摩擦磨损标度律，并揭示了摩擦学中一个基本但常被忽视的原则：摩擦和磨损不仅受表面现象主导，还受接触界面下方材料本体力学响应的显著影响。研究发现，纳米孪晶金属在纳米→微米→宏观尺度加载下的摩擦学响应，本质上取决于其在多尺度摩擦载荷下的结构演变及相应物理变形机制的转变。在纳米加载尺度（50 – 190 nN），摩擦诱导的塑性变形主要由位错-孪晶界相互作用和退孪生主导，导致纳米孪晶镍的摩擦系数随孪晶片层厚度减小呈现先增加后降低的趋势（图1）。在微米加载尺度（500 – 1000 mN），超细纳米孪晶结构降低相变能垒，促进摩擦亚表层发生由面心立方（FCC）结构向密排六方（HCP）结构的相变，导致摩擦系数和磨损率均随孪晶片层厚度减小而单调下降（图2）。在宏观加载尺度（5 N），摩擦系数与孪晶片层厚度无显著相关性，但在临界片层厚度（20 nm）以上时，摩擦亚表层形成稳定氧化膜和梯度纳米结构，使材料呈现低磨损特性；而临界片层厚度以下，摩擦亚表层趋于形成脆性纳米晶结构，导致磨损率急剧增加。

图1 纳米孪晶镍在纳米尺度加载下的摩擦学响应及变形机制。（a）摩擦力与法向载荷间的关系；（b）摩擦系数（COF）与孪晶片层厚度(λ)的依赖关系。λ = 5nm（超过临界阈值）的纳米孪晶镍在纳米尺度摩擦过程中的变形图像：（c1）针尖下压前的初始结构，（c2）针尖下压过程中的位错活动，（c3-4）摩擦过程中位错在孪晶界（TBs）处的塞积及TBs附近的层错（SF）活动。λ = 1.25 nm（低于临界阈值）的纳米孪晶镍在纳米尺度摩擦过程中的变形图像：（d1）初始状态，（d2）下压过程的位错活动，（d3-4）摩擦诱导的退孪生。

图2 纳米孪晶镍在微米划擦加载下的摩擦学响应及微观结构演变。0.5、0.75和1 N载荷下（a）摩擦系数（COF）和（b）磨损率随孪晶片层厚度（λ）的变化关系。λ = 2.9 nm的纳米孪晶镍样品的摩擦亚表层显微结构演化行为：（c1）亚表层TEM图像，（c2）亚表层原子尺度表征，（c3）摩擦亚表层的HCP结构的原子尺度表征。不同晶格构型下FCC→HCP相变过程示意图：（d）含孪晶界的FCC晶格，（e）纯FCC晶格。不同晶格构型下FCC→HCP转变的相变能垒和剪切应力：（f）含孪晶界的FCC晶格，（g）纯FCC晶格。

图3 纳米孪晶镍在宏观加载下的摩擦学响应及微观结构演变。5 N载荷下（a）摩擦系数（COF）和（b）磨损率随孪晶片层厚度（λ）的变化关系。宏观加载下纳米孪晶镍样品的摩擦亚表层明场TEM图像：（c）λ = 81 nm，（d）λ = 9.9 nm，（e）λ = 2.9 nm。高倍TEM图像和选区电子衍射图像表明最表层发生了氧化并形成了纳米晶结构。

本工作系统揭示了纳米孪晶（NT）金属在不同尺度加载条件下的摩擦学响应与变形机制（图4）：在纳米尺度下，位错-孪晶界交互作用和退孪生主导摩擦亚表层的塑性变形，超细孪晶结构诱导的退孪生及局域软化有效降低界面剪切阻力，实现低摩擦特性；在微米尺度下，超细纳米孪晶结构促进摩擦亚表层发生FCC→HCP相变，降低摩擦界面滑移剪切阻力和材料磨损率；在宏观尺度下，较大的纳米孪晶片层厚度有利于摩擦亚表层中梯度纳米结构与稳定氧化膜的形成，提升材料耐磨性。该工作从材料科学角度揭示了纳米孪晶金属的全尺度摩擦磨损定律及表面变形新机制，为设计低摩擦高耐磨金属材料提供了新思路，丰富了纳米孪晶金属摩擦学的基本理论。

图4 纳米孪晶镍在纳米、微观和宏观尺度摩擦载荷下的标度律及变形机制

上述研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划重点项目、面上项目、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目等项目支持。

论文链接： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166201