《Diamond and Related Materials》：Influence of diamond particle size on the friction mechanisms of Ag-Cu-Ni/WS?-MoS?-diamond self-lubricating composites
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摘要本研究通过引入金刚石增强相，解决了银基复合材料硬度较低和耐磨性不足的问题，并系统研究了金刚石颗粒大小对摩擦学行为的影响。通过纳米压痕试验、摩擦学测试、表面形态分析以及摩擦系数分解和主成分分析（PCA），建立了颗粒大小、表面粗糙度与摩擦机制之间的定量关系。结果表明，含有50纳米
摘要
本研究通过引入金刚石增强相，解决了银基复合材料硬度较低和耐磨性不足的问题，并系统研究了金刚石颗粒大小对摩擦学行为的影响。通过纳米压痕试验、摩擦学测试、表面形态分析以及摩擦系数分解和主成分分析（PCA），建立了颗粒大小、表面粗糙度与摩擦机制之间的定量关系。结果表明，含有50纳米金刚石颗粒的复合材料具有最佳的机械性能，其硬度为1.54吉帕（GPa），杨氏模量为76.16吉帕（GPa）。在所有测试的载荷条件下，该材料的磨损深度最低，磨损速率为1.20×10^-13米^3/(牛顿·米)，主要的磨损机制是犁切效应。PCA分析证实，金刚石颗粒大小能够优化应力分布和摩擦膜的形成，有效抑制了粘附磨损和犁切磨损，同时保持稳定的摩擦性能。通过摩擦成分分析，本研究揭示了颗粒大小调控的微观结构与摩擦机制之间的协同作用，为高性能银基复合材料的设计提供了新的见解。
引言
由于银基复合材料具有优异的导电性和导热性以及抗电弧侵蚀能力，因此被广泛应用于航空航天、医疗设备和海洋工程中的滑环组件[1]、[2]、[3]、[4]。同时，作为将旋转太阳能阵列的能量传递到卫星本体的关键部件，刷-环接触系统的摩擦学性能也影响着整个系统的使用寿命和可靠性[24]。由于银基复合材料出色的自润滑性能和导电性，它们已成为航空航天领域滑环接触的首选材料[25]、[26]。然而，随着太空任务变得越来越复杂和昂贵，对降低摩擦系数和延长使用寿命的要求也越来越高。然而，银基材料本身相对较低的硬度和不足的耐磨性限制了其在极端条件下的长期使用[5]、[6]、[7]、[8]。
为此，引入增强相（如金刚石）以提高材料的机械和摩擦学性能已成为一个重要的研究方向[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。Maurya等人[14]将1%的纳米金刚石（NDs）加入到NiAl涂层中，使磨损率降低了42.5%。Gao等人[15]制备了Ni/金刚石复合材料涂层，其中含有13.4%体积比的金刚石，其磨损率为2.34×10^-14米^3/(牛顿·米)。Katzensteiner等人[16]制备的块状Ag-NDs复合材料硬度提高了70%。Fang等人[17]在Ag基底上制备了增强有NDs的Ag复合材料，发现NDs在Ag晶界处均匀分布。这种坚固的ND-Ag界面结合显著提高了涂层的载流耐磨性[18]、[19]、[20]。尽管金刚石增强在银基和其他金属基复合材料中已被广泛研究，但大多数以往的研究集中在相对简单的二元或传统合金系统上，主要评估了宏观摩擦系数和磨损率。目前对于金刚石颗粒大小对增强相空间分布的影响、多组分Ag-Cu-Ni基体的局部变形以及粘附磨损和犁切磨损的相对贡献认识还不够充分。特别是，坚硬的金刚石相与WS2/MoS2固体润滑剂相在决定主导摩擦机制方面的相互作用尚未得到系统研究[21]、[22]。
为了解决这些挑战，本研究考察了在固定Ag-Cu-Ni/WS2-MoS2复合材料系统中金刚石颗粒大小的影响，并定量分离了粘附磨损和犁切磨损对宏观摩擦响应的贡献。通过纳米压痕实验表征了材料的微观力学性能，利用X射线计算机断层扫描（CT）揭示了增强相的三维空间分布，通过测试后分析跟踪了磨损演变过程。还提出了一种摩擦成分分析方法，该方法通过主成分分析（PCA）阐明了犁切磨损和粘附磨损之间的相互作用[27]、[28]、[29]、[30]。总体而言，这项工作为高性能银基复合材料的设计提供了新的视角和定量基础。
章节摘录
样品制备
复合粉末由银（<500纳米）、镍（<500纳米）、铜（<40微米）、二硫化钨（<300纳米）、二硫化钼（<400纳米）和金刚石（纯度99%）组成，金刚石有三种颗粒尺寸：50纳米、20微米和40微米。这些粉末按照65:20:2:7.4:4.6:1的质量比通过声共振混合20分钟（加速度比10:1），以确保均匀分布。然后以450兆帕的压力在30秒的时间内压缩混合物。
微观结构和机械性能
图2展示了原始粉末、单个金刚石颗粒以及含有不同尺寸金刚石的银基复合材料的三维形态。如图2(a1)–(a6)所示，随着金刚石颗粒大小的增加，复合粉末的颗粒形态从细小均匀逐渐变为粗糙且不均匀。50纳米颗粒具有高的分散性及均匀的粒径分布。
结论
加入50纳米金刚石颗粒后，银基复合材料表现出最佳的机械性能，最大硬度为1.54吉帕（GPa），弹性模量为76.16吉帕（GPa），这归功于牢固的界面结合和有效的颗粒分散。
在所有测试载荷下，50纳米金刚石复合材料表现出最浅的磨损痕迹，表明其对犁切损伤的抵抗能力更强，且能够更好地控制表面形态的变化。
50纳米金刚石复合材料有效地促进了...
CRediT作者贡献声明
朱秋冲：撰写 – 原始草稿，监督，研究，正式分析，概念化。涂友旺：方法论，研究。张雷：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，研究。
原创性声明
我们声明本手稿的智力内容（引用部分除外）均是我们自己的工作成果。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国防工业技术发展计划（JCKY2024203B010）的支持。
朱秋冲|涂友旺|张雷
