温度对[Al2 O3 /Si3 N4 ]n异质结构摩擦学性能的影响机制及其工程应用研究

本研究针对高温环境下工程器件表面防护需求，通过磁控溅射技术制备[Al2 O3 /Si3 N4 ]n多层涂层，系统考察25-350°C温度区间内摩擦系数(COF)、磨损率及磨损机制演变规律。结果表明：30双层涂层在350°C时仍保持0.76的低COF和3.0×10-4 mm3 /N·m的优异耐磨性，其界面应力调控机制为高温防护涂层设计提供新思路。

　　

在精密机械加工领域，切削工具与工件接触界面的高温摩擦磨损一直是制约加工精度和设备寿命的关键瓶颈。传统单层防护涂层在室温条件下表现优异，但当加工过程中温度升至200-400°C时，涂层性能往往急剧退化。更棘手的是，现有研究多聚焦室温摩擦学行为，对温度-磨损协同作用机制的认识存在显著空白。这一知识缺口直接导致高温工况下涂层设计的盲目性，迫使工程师不得不采用过度设计的保守方案。

为破解这一难题，来自中国的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表了创新性研究成果。该工作选择[Al₂
O₃
/Si₃
N₄
]异质结构作为研究对象——前者以高硬度著称但脆性较大，后者则具有优异的韧性且具备自润滑潜力。研究人员通过精确控制磁控溅射工艺参数，成功构建了具有1/10/30双层的系列涂层体系，总厚度严格控制在2μm。借助高温X射线衍射(XRD)、纳米压痕仪和多功能摩擦磨损试验机等先进表征手段，首次系统揭示了温度-界面耦合效应对涂层摩擦学行为的调控规律。

关键技术方法包括：1）射频磁控溅射制备梯度化多层涂层；2）高温XRD分析相稳定性；3）纳米压痕原位测试力学性能；4）配备温控模块的球-盘式摩擦磨损测试；5）扫描电镜(SEM)结合能谱(EDX)解析磨损机制。所有测试均在316不锈钢基体上进行，确保与实际工程应用的匹配性。

3.1 结构分析
XRD结果显示所有涂层在350°C仍保持稳定的六方晶系结构，未出现相变或分解。值得注意的是，(209)晶面衍射峰随双层数增加呈现规律性偏移，表明界面应力可有效抑制高温晶格畸变。高分辨透射电镜(HR-TEM)直接观测到Al₂
O₃
/Si₃
N₄
界面处仅0.5nm的过渡区，这种原子级锐利界面为应力传递提供了理想通道。

3.4 力学性能
纳米压痕测试揭示出显著的"界面强化效应"：30双层涂层的硬度达37GPa，比单层体系提升19%。高温测试时，该涂层在350°C的压痕深度仅增加8%，远低于单层涂层的23%增幅。这种异常的温度稳定性源于多层界面对位错运动的钉扎作用，该机制通过SAED衍射斑点的异常宽化得到佐证。

3.5 摩擦学行为
在最具挑战性的350°C测试条件下，30双层涂层展现出惊人的适应性：摩擦系数稳定在0.76，仅为裸基体的46%。磨损轨迹分析显示，其磨损率3.0×10^-4
mm³
/N·m比单层涂层降低56%，且磨损机制从严重的粘着磨损转变为温和的磨粒磨损。EDX图谱证实，多层结构能有效阻隔氧元素向内扩散，使表面氧化程度降低41%。

这项研究通过多尺度表征揭示了三个重要机制：1）界面应力场可提升涂层高温相稳定性；2）周期性界面能重构载荷分布，缓解应力集中；3）纳米级厚度调控可实现力学/摩擦学性能的协同优化。这些发现不仅为高温防护涂层设计提供了定量化指导，其揭示的"界面应力缓冲效应"更可推广至其他极端环境用材料体系。特别值得注意的是，30双层涂层在350°C下的性能衰减率仅为传统TiAlN涂层的1/3，这一突破使加工工具在高速切削时的寿命预期提升2倍以上，具有显著的工程应用价值。

研究团队建立的"温度-界面-性能"关联模型，成功实现了从室温性能预测高温行为的理论跨越。该工作发表的系统性数据——包括不同温度下的精确力学参数、磨损率变化曲线和界面应力计算值——已成为该领域的重要基准数据集。正如审稿专家所指出，这种将基础研究与工程需求紧密结合的研究范式，为新型防护材料的开发树立了典范。