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【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(fēng)扇(shàn)用(yòng)久(jiǔ)了(le)就(jiù)会(huì)很(hěn)吵(chǎo)。这(zhè)是(shì)因(yīn)为(wèi)机(jī)器(qì)中(zhōng)的(de)零(líng)件(jiàn)用(yòng)太(tài)久(jiǔ)磨(mó)损(sǔn)了(le)，一(yī)般(bān)情(qíng)况(kuàng)下(xià)，往(wǎng)其(qí)中(zhōng)滴(dī)入(rù)一(yī)些(xiē)润(rùn)滑(huá)油(yóu)就(jiù)能(néng)大(dà)大(dà)改(gǎi)善(shàn)这(zhè)种(zhǒng)情(qíng)况(kuàng)。

图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：新(xīn)华(huá)社(shè)

其(qí)实(shí)不(bù)仅(jǐn)是(shì)电(diàn)风(fēng)扇(shàn)，在(zài)其(qí)它(tā)大(dà)型(xíng)机(jī)械(xiè)设(shè)备(bèi)，如(rú)汽(qì)车(chē)、火(huǒ)车(chē)、飞(fēi)机(jī)甚(shén)至(zhì)是(shì)火(huǒ)箭(jiàn)和(hé)空(kōng)间(jiān)探(tàn)测(cè)器(qì)等(děng)，都(dōu)有(yǒu)一(yī)些(xiē)零(líng)件(jiàn)处(chù)于(yú)高(gāo)速(sù)运(yùn)转(zhuǎn)中(zhōng)。尤(yóu)其(qí)是(shì)这(zhè)些(xiē)部(bù)件(jiàn)在(zài)几(jǐ)百(bǎi)度(dù)甚(shén)至(zhì)上(shàng)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，甚至“越磨越新”？虽然听起来很不可思议，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温润滑和耐磨效果。

它之所以具有自润滑特性，是因为在高温摩擦的过程中，材料的表面会发生一种叫做“摩擦化学反应”的现象，也就是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(yōu)异(yì)的(de)润(rùn)滑(huá)性(xìng)能(néng)，就(jiù)像(xiàng)抹(mǒ)上(shàng)了(le)一(yī)层(céng)天(tiān)然(rán)润(rùn)滑(huá)剂(jì)；另(lìng)一(yī)种(zhǒng)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，这种效果简直是(shì)在高温环境下工作的机械设备的福音！

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、氮化硼等。但这些润滑剂会破坏陶瓷本身的结构完整性，而且这种材料的制造过程也比较复杂，加工起来很难做到精准控制。

科学家另辟蹊径，发明了 Ti₄MoSiB₂陶瓷，它是一种单一成分、统一结构的陶瓷，不需要额外添加润滑剂，就能在高温下自我润滑。而且它可以通过一次高温烧结直接制成，工艺更简单，结构更稳定。因其具备导电性能，还可以用电火花加工这种常用的方法来切割，大大提高了加工效率。

在性能方面，这种陶瓷比传统陶瓷的优势在于：

力学性能方面，它在常温到1000℃的广泛温度范围内都能保持高强度和不易断裂的特性；

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(zài)某(mǒu)些(xiē)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(xìng)的(de)全能(néng)型(xíng)选(xuǎn)手(shǒu)。

相关材料力学（a）与磨损特性对比（b）

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：兰(lán)州(zhōu)化(huà)物(wù)所(suǒ)）

正(zhèng)是(shì)由(yóu)于(yú)它(tā)的(de)这(zhè)些(xiē)强(qiáng)大(dà)性(xìng)能(néng)，使(shǐ)其(qí)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(jì)思(sī)路：**不(bù)再(zài)把(bǎ)“强(qiáng)度(dù)”和(hé)“功(gōng)能(néng)”分(fēn)别(bié)添(tiān)加(jiā)，而(ér)是(shì)把(bǎ)它(tā)们(men)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。