拓扑密堆簇增强Cu-Zr金属玻璃耐磨性的原子尺度机理研究

金属玻璃(MGs)因其独特的无序结构展现出卓越的耐磨性，但微观机制尚不明确。中国研究人员通过分子动力学(MD)模拟CuxZr100-x(x=20-80 at%)体系的纳米划痕过程，发现铜含量增加会促进拓扑密堆(TCP)簇（特别是二十面体结构）的动态破坏-重组循环，致密化效应显著提升材料硬度和耐磨性。该研究为设计高性能耐磨MGs提供了原子尺度理论依据，成果发表于《Applied Surface Science》。

　　

研究背景与意义
金属玻璃(Metallic Glasses, MGs)如同微观世界的"无序迷宫"，其原子排列长程无序但短程有序的特性，赋予了它们远超晶态材料的强度、硬度和耐腐蚀性。其中Cu-Zr基MGs更是功能器件领域的明星材料，然而令人困惑的是——有些MGs的耐磨性竟不如传统晶体材料。这种"玻璃悖论"严重制约了其在轴承、微机电系统等领域的应用。问题的核心在于：决定MGs耐磨性的"原子密码"究竟是什么？传统实验手段难以捕捉纳米尺度下原子簇的动态演变，这就像试图用望远镜观察细胞分裂，迫切需要更精密的"原子显微镜"。

贵州大学等机构的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究，首次揭示了拓扑密堆(Topologically Close-Packed, TCP)簇在摩擦过程中的"自我修复"机制。通过分子动力学(MD)模拟七种不同铜含量的Cu_xZr_100-x合金，发现二十面体等TCP簇在刀具压力下经历破坏-重组循环，这种动态致密化过程如同微观"纳米弹簧"，既能吸收机械能又可维持结构稳定性，最终使含铜64.5 at%的合金展现出最优耐磨性。

关键技术方法
研究采用LAMMPS软件进行分子动力学模拟，嵌入原子势(EAM)描述Cu-Zr相互作用，Lennard-Jones势处理工具-工件界面。通过OVITO分析原子结构，采用最大标准团簇分析(LSCA)和StrucStudio识别TCP簇。纳米划痕模拟使用刚性金刚石工具，系统记录摩擦力(F_x)、法向力(F_z)等力学响应，并结合局部剪切应变、原子体积等参数评估微观结构演变。

研究结果
1. 摩擦学性能演变规律
随着铜含量从20 at%增至80 at%，刀具法向力提升47%，但平均摩擦系数降低32%。含铜64.5 at%的样品展现出独特的双阶段响应：初始过渡期(I)伴随剧烈力波动，对应TCP簇的破坏；稳定划痕期(II)力曲线平稳，反映簇的重组平衡。

2. TCP簇的动态行为
二十面体(ICO)簇数量随铜含量呈指数增长，在80 at%铜样品中占比达41%。划痕过程中，ICO簇损伤率高达73%，远高于其他簇类型。高分辨率分析显示，受损ICO簇通过原子重排形成新的密堆结构，这种"破坏-重组"循环使材料密度提升5.8%。

3. 微观机制关联性
致密化效应产生三方面协同作用：(1)原子堆积因子提高0.12，增强局部刚度；(2)自由体积减少限制剪切带扩展；(3)工具-工件接触面积增大15%，促进能量耗散。三者共同导致硬度提升28%，磨损率下降两个数量级。

结论与展望
该研究建立了TCP簇含量-局部致密化-耐磨性的定量关系模型，突破传统MGs研究"重宏观、轻微观"的局限。特别值得注意的是，含铜64.5 at%的组分在ICO簇密度与重组动力学间取得最佳平衡，这为开发新型耐磨材料提供了明确的设计准则。未来研究可结合原位电镜验证原子尺度机制，或通过添加第三组元(如Al)进一步优化簇结构稳定性。这项成果不仅解决了MGs耐磨性机理的争议，更为设计航空航天用超高强度防护涂层指明了方向。