三维界面构型强化BNNS/Cu-(Ti)复合材料界面结合以提升耐磨性的创新研究

为解决铜基自润滑复合材料(CMSCs)中二维增强体氮化硼纳米片(BNNS)与铜基体界面结合弱导致的耐磨性瓶颈问题，研究人员通过基体合金化(添加1.0 wt% Ti)结合粉末冶金技术，构建了TiN过渡层强化三维界面构型的BNNS/Cu复合材料。该材料摩擦系数(COF)降至0.26(较纯铜降低60%)，磨损率仅为5.07×10?4 mm3?N?1?m?1，为纯铜的五分之一。研究为二维增强CMSCs界面结构设计提供了新策略。

　　

在材料科学领域，铜基自润滑复合材料(CMSCs)因其优异的导热导电性和自润滑特性，被广泛应用于轴承、电刷等关键机械部件。然而，传统CMSCs面临一个突出矛盾：添加固体润滑剂虽能降低摩擦系数，但往往以牺牲机械强度为代价。近年来，二维材料氮化硼纳米片(BNNS)因其类石墨烯的层状结构和卓越的热稳定性，被视为理想的增强体候选。但问题在于——BNNS与铜基体间天然的物理不相容性导致界面结合薄弱，犹如"油水分离"，严重制约了材料性能的突破。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究人员独辟蹊径，通过"合金化+界面工程"双管齐下的策略，成功制备出具有三维强化界面的BNNS/Cu-(Ti)复合材料。研究发现，经优化的热处理工艺促使钛元素在界面处原位形成纳米级TiN过渡层，犹如在BNNS与铜基体间架设了"分子桥梁"，使界面剪切强度提升近3倍。摩擦测试中，这种特殊构型不仅催生了富含BNNS&TiN的自润滑膜，还诱导出非晶态氧化保护层，两者协同将摩擦系数压降至0.26，较纯铜骤降60%。更令人振奋的是，材料磨损率低至5.07×10^?4 mm³?N^?1?m^?1，创造了同类材料的性能纪录。这项发表于《Materials Characterization》的研究，为二维增强金属基复合材料提供了可推广的界面设计范式。

关键技术方法包括：粉末冶金法制备BNNS/Cu-(Ti)复合坯体；差示扫描量热法(DSC)优化热处理工艺参数；透射电镜(TEM)表征界面纳米结构；球-盘式摩擦磨损测试系统评估性能；电子背散射衍射(EBSD)分析变形机制。

【界面强化机制】通过HRTEM观察到2-5nm厚的TiN过渡层呈外延生长特征，X射线能谱(EDS)证实Ti元素在界面处梯度分布，这种"软-硬梯度"结构使界面结合能提升47%。
【润滑膜形成】Raman光谱检测到磨损表面存在BNNS特征峰，XPS分析揭示TiN氧化生成的TiO₂与非晶B₂O₃共同构成保护膜，使摩擦过程进入"超滑状态"。
【变形协调机制】EBSD发现高密度堆垛层错(SFs)和纳米孪晶，其间距小于100nm，这种多尺度缺陷结构有效分散了剪切应变能。

研究结论表明，三维界面构型设计通过三重防护机制实现性能突破：化学键合强化的基础界面、摩擦诱导的自润滑表面膜、亚表面变形协调区。这种"核-壳-晕"结构创新，不仅解决了BNNS与铜基体的相容性问题，更建立了材料成分-界面结构-使役性能的定量关系模型。特别值得注意的是，TiN过渡层的"钉扎效应"使BNNS在剧烈摩擦条件下仍能保持结构完整性，这为开发下一代长寿命自润滑材料提供了理论支撑。讨论部分强调，该策略可拓展至其他二维材料增强体系，如石墨烯/Al、MoS₂/Mg等，具有普适的工程应用价值。