【导语】中国的科学家在材料科学领域取得了突破性进展，成功研发出一种名为Ti₄MoSiB₂的新型陶瓷材料。这种材料不仅能在极端高温下保持坚硬与稳定，还能在摩擦中自我润滑，甚至展现出“负磨损”的罕见特性。它的出现为航空、航天及极端环境设备等领域带来了革命性的变化，预示着材料科学的新边界正在被不断拓展。

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作者：李红斌 苏云峰（中国科学院兰州化学物理研究所）

监制：中国科普博览

日常生活中，我们经常会听到各种机器传来的吱呀吱呀的声音，比如电风扇用久了就会很吵。这是因为机器中的零件用太久磨损了，一般情况下，往其中滴入一些润滑油就能大大改善这种情况。

图片来源：新华社

其实不仅是电风扇，在其它大型机械设备，如汽车、火车、飞机甚至是火箭和空间探测器等，都有一些零件处于高速运转中。尤其是这些部件在几百度甚至上千度的高温环境中工作时，摩擦和磨损就变得更加严重，甚至会突然卡住或者断裂，给整个设备带来巨大的安全风险。那么，有没有一种材料，不但能承受极端高温，还能在摩擦中变得更强(qiáng)，甚(shén)至(zhì)“越(yuè)磨(mó)越(yuè)新(xīn)”？虽(suī)然(rán)听起来很不可思议，但这并非不切实际的幻想，中国的科学家就做到了这一点。

从原子层面搭建出来的新材料

要让材料在高温下既坚硬又不容易断裂，靠的不是“运气”，而是从原子开始的结构设计！

在材料科学中，有一种叫做粉末冶金的方法，简单来说就是把各种金属或非金属的细小粉末混合在一起，然后在高温高压下“烧结”成型。科学家把钛(Ti)、钼(Mo)、硅(Si)、硼(B)四种元素的超细粉末按照特定比例倒入模具，在高温高压下烧制出在原子尺度上精密堆叠的陶瓷，简单来说，就像是制作千层酥一样。这种陶瓷内部结构的排列方式使其不仅强度高、硬度大，还能在室温到1000℃的高温环境中稳定工作，不轻易变形或断裂。

Ti4MoSiB2陶瓷的晶体结构

（图片来源：兰州化物所）

更神奇的是，这种陶瓷材料还能根据温度变化自动“调整策略”来对抗断裂：在低温时，原子层之间的结合相对较弱，这让裂纹在材料内部拐来拐去“走迷宫”，因而不易迅速扩展；但在高温下，由于材料内部的晶粒是随机分布，而且在加热时，晶粒每个方向的膨胀程度不一样。随着温度升高，为了适应这种变化，晶粒之间会在边界处产生应力，使边界变得更容易开裂。这会让材料在高温下从晶粒之间断裂，而非从晶粒内部断裂，这种方式能提高材料在高温环境下抵抗破坏的能力。

低温400℃下穿晶断裂（a）和高温800℃下沿晶断裂（b）特征

（图片来源：兰州化物理所）

除了以上的坚硬和抗断裂之外，这种陶瓷还有自润滑的功能。所谓的自润滑指的是不依赖引入其他润滑剂，而通过材料自身特点实现润滑功能。科学家在不同温度下均对它做了摩擦实验，发现从室温一直到1000℃，它在与金属材料接触摩擦时表现出非常好的高(gāo)温(wēn)润(rùn)滑(huá)和(hé)耐(nài)磨(mó)效(xiào)果(guǒ)。

它(tā)之(zhī)所(suǒ)以(yǐ)具(jù)有(yǒu)自(zì)润(rùn)滑(huá)特(tè)性(xìng)，是(shì)因(yīn)为(wèi)在(zài)高(gāo)温(wēn)摩(mó)擦(cā)的(de)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，材(cái)料(liào)的(de)表(biǎo)面(miàn)会(huì)发(fā)生(shēng)一(yī)种(zhǒng)叫(jiào)做(zuò)“摩(mó)擦(cā)化(huà)学(xué)反(fǎn)应(yīng)”的(de)现(xiàn)象(xiàng)，也(yě)就(jiù)是(shì)边摩边发生化学变化。这个过程中会生成两种关键物质：MoO₃，它的结构像一层一层的纸片，具有优异的润滑性能，就像抹上了一层天然润滑剂；另一种是TiO₂，因其结构中存在一些“氧空位”，也就是缺少一些氧原子，它会形成一种叫 Ti₄O₇的物质，而且表面原子排布也会发生变化。这些空位能减少表面之间的阻力，让材料滑得更顺畅，也不容易磨损。

更厉害的是，这种陶瓷在摩擦后，表面还会被这些氧化物覆盖，形成一层“保护膜”。也就是说这种陶瓷不但自己没怎么磨损，反而因为这层膜越积越厚，看起来越磨越多，出现了一种罕见的现象，叫做“负磨损”。

这种陶瓷不仅自己保护得很好，连与其对摩的金属也磨损得更少了，这(zhè)种(zhǒng)效(xiào)果(guǒ)简(jiǎn)直(zhí)是(shì)在(zài)高(gāo)温(wēn)环(huán)境(jìng)下(xià)工(gōng)作(zuò)的(de)机(jī)械(xiè)设(shè)备(bèi)的(de)福(fú)音(yīn)！

1000℃下摩擦30 min（a）和1000℃下摩擦180 min（b）后材料磨损表面形态

（图片来源：兰州化物所）

性能优势对比

此前，科学家们已经尝试用陶瓷材料来实现自润滑的效果。传统方法是往陶瓷中添加润滑剂，比如石墨、二硫化钼、氮化(huà)硼(péng)等(děng)。但(dàn)这(zhè)些(xiē)润(rùn)滑(huá)剂(jì)会(huì)破(pò)坏(huài)陶(táo)瓷(cí)本(běn)身(shēn)的(de)结(jié)构(gòu)完(wán)整(zhěng)性(xìng)，而(ér)且(qiě)这(zhè)种(zhǒng)材(cái)料(liào)的(de)制(zhì)造(zào)过(guò)程(chéng)也(yě)比(bǐ)较(jiào)复(fù)杂(zá)，加(jiā)工(gōng)起(qǐ)来(lái)很(hěn)难(nán)做(zuò)到(dào)精(jīng)准(zhǔn)控(kòng)制(zhì)。

科(kē)学(xué)家(jiā)另(lìng)辟(pì)蹊(qī)径，发(fā)明(míng)了(le) Ti₄MoSiB₂陶(táo)瓷(cí)，它(tā)是(shì)一(yī)种(zhǒng)单(dān)一(yī)成(chéng)分(fēn)、统(tǒng)一(yī)结(jié)构(gòu)的(de)陶(táo)瓷(cí)，不(bù)需(xū)要(yào)额(é)外(wài)添(tiān)加(jiā)润(rùn)滑(huá)剂(jì)，就(jiù)能(néng)在(zài)高(gāo)温(wēn)下(xià)自(zì)我(wǒ)润(rùn)滑(huá)。而(ér)且(qiě)它(tā)可(kě)以(yǐ)通(tōng)过(guò)一(yī)次(cì)高(gāo)温(wēn)烧(shāo)结(jié)直(zhí)接(jiē)制(zhì)成(chéng)，工(gōng)艺(yì)更(gèng)简(jiǎn)单(dān)，结(jié)构(gòu)更(gèng)稳(wěn)定(dìng)。因(yīn)其(qí)具(jù)备(bèi)导(dǎo)电(diàn)性(xìng)能(néng)，还(hái)可(kě)以(yǐ)用(yòng)电(diàn)火(huǒ)花(huā)加(jiā)工(gōng)这(zhè)种(zhǒng)常(cháng)用(yòng)的(de)方(fāng)法(fǎ)来(lái)切(qiè)割(gē)，大(dà)大(dà)提(tí)高(gāo)了(le)加(jiā)工(gōng)效(xiào)率(lǜ)。

在(zài)性(xìng)能(néng)方(fāng)面(miàn)，这(zhè)种(zhǒng)陶(táo)瓷(cí)比(bǐ)传(chuán)统(tǒng)陶(táo)瓷(cí)的(de)优(yōu)势(shì)在(zài)于(yú)：

力(lì)学(xué)性(xìng)能(néng)方(fāng)面(miàn)，它(tā)在(zài)常(cháng)温(wēn)到(dào)1000℃的(de)广(guǎng)泛(fàn)温(wēn)度(dù)范(fàn)围(wéi)内(nèi)都(dōu)能(néng)保(bǎo)持(chí)高(gāo)强(qiáng)度(dù)和(hé)不易断裂的特性；

摩擦性能方面，它在和金属材料摩擦时，不仅摩擦力小、磨损少，还能在某些条件下实现“负磨损”，比目前已知的大多数同类型材料都更出色。

可以说，它是目前类似陶瓷材料中，兼顾强度、稳定性、耐磨性和润滑性的全能型选手。

相关材料力学（a）与磨损特性对比（b）

（图片来源：兰州化物所）

正是由于它的这些强大性能，使其具备了非常广阔的应用前景。比如在航空发动机中，一些关键部件需要在上千度的高温下变换几何结构，这些零件不能变形、不能断裂、还得滑动灵活。Ti₄MoSiB₂陶瓷就非常适合用来制作这些高温滑动部件，还能用在像高温轴承这样的极端环境设备中，帮助整个系统变得更稳定、更耐用。

更重要的是，这项研究展示了一种全新的材料设计思路：**不再把“强度”和“功能”分别添加，而是把它们融合在同一种材料中。**这种“结构-功能一体化”的思路，不仅为未来更多高性能材料的开发指明了方向，也让我们看到了材料科学正在不断突破的边界。

或许在不久的将来，我们会在航空、航天，甚至深空探测领域，看到这种“越磨越强”的陶瓷发挥它的作用。