近日，南方科技大学材料科学与工程系任富增教授课题组在学术期刊 Nano Letters 上发表题目为“In Situ Formation of a Honeycomb-Like Dual-Amorphous Oxide Tribolayer via Tungsten Segregation for Exceptional Cryogenic Wear Resistance in a NbMoTaW Film”的研究论文。该研究发现，在低温摩擦条件下，NbMoTaW 薄膜表面可原位形成一种独特的蜂窝状双非晶氧化摩擦层，从而显著提升其低温耐磨性能。该成果为面向极端低温–应力耦合服役环境的自适应耐磨涂层设计提供了新思路。

现代工程技术在航空航天、量子计算和低温能源等领域的快速发展，持续推动着对极端工况下高性能材料的迫切需求。在低温服役环境中，传统润滑机制往往难以发挥作用，金属结构部件长期承受低温与高机械应力的耦合作用，极易发生材料脆化、变形能力退化以及磨损加速等问题。

前期研究表明，滑动摩擦过程中诱导的氧化反应可在材料表面形成高强度非晶氧化层，该氧化层能够有效抵御进一步的剪切变形，从而在一定程度上降低磨损。然而，单一非晶相通常具有有限的应变容限，在持续剪切作用下易发生剪切带失稳与脆性裂纹扩展，反而导致耐磨性能显著下降。

在材料中引入纳米尺度的成分或结构异质界面，可通过剪切带的多级分叉及自钝化效应，显著提升整体变形能力与耐磨性能。同时，滑动过程中强烈的剪切应变会增强原子扩散行为，促使元素发生偏聚；在多主元合金体系中，不同元素对氧的亲和力差异则进一步驱动非均匀氧化的发生。若上述过程实现协同调控，有望在摩擦表面原位构筑兼具高强度与高变形能力的双非晶纳米结构。

基于此，任富增课题组提出了一种创新性设计策略：通过在低温摩擦磨损过程中原位形成高强度、高变形能力的双非晶纳米结构，实现合金薄膜的超耐磨性能。研究人员采用磁控溅射技术制备了具有柱状纳米晶结构的等原子比 NbMoTaW 合金薄膜，系统研究了其在室温与77 K低温条件下的摩擦磨损行为及亚表面微观结构演化，进而揭示了该合金薄膜在低温环境中表现出卓越耐磨性能的自适应调控机理。

图 1. NbMoTaW在室温与77 K条件下的摩擦磨损行为及微观结构特征。 (a) 室温与77 K下磨痕的二维（2D）横截面轮廓；(b) 不同合金在低温区间（73 ~173 K）内磨损率随温度变化的对比；(c) 室温下磨痕的三维（3D）形貌；(d) 沿法向-滑动方向（ND-SD）的截面明场TEM图像；(d1)-(d3) 分别为对应氧化物层、塑性变形区及未变形区的选区电子衍射花样；(e) 纳米复合氧化物层的高分辨TEM图像；(f) 77 K下磨痕的3D形貌；(g) ND-SD截面的明场TEM图像；(g1)-(g3) 分别为对应氧化物层、塑性变形区及未变形区的选区电子衍射花样；(h)-(i) 双非晶纳米结构氧化层 HAADF-STEM 图像及其对应的W元素分布图

实验结果表明，NbMoTaW 合金薄膜在 77 K 条件下表现出显著提升的耐磨性能，其磨损率仅为1.43×10^-6 mm³/N·m，比室温下低了一个数量级。进一步的微观结构与成分分析显示，在 77 K 摩擦过程中，合金薄膜表面可原位形成一层厚度约 100 nm 的蜂窝状双非晶纳米结构氧化层。该双非晶结构由平均厚度约 3.7 nm 的富W 非晶“骨架”与尺寸约 6.3 nm 的贫 W 非晶“核心”区域相互嵌套构成（如图1所示）。这种摩擦诱导形成的双非晶纳米结构能在滑动过程中促进表面的协调变形，实现强度与塑性的协同提升（图2），从而有效抑制裂纹萌生与扩展，避免局部断裂，最终显著改善材料的低温耐磨性。

图 2.  室温与77 K下滑动磨损诱导形成的摩擦层力学性能对比。(a) 压缩应力-应变曲线；(b) 室温下摩擦层纳米柱(b1) 压缩前与(b2)压缩后 SEM 图像；(c) 77 K下摩擦层纳米柱(c1) 压缩前与(c2)压缩后 SEM 图像

论文共同第一作者为南方科技大学材料科学与工程系硕士生吴子建、博士后罗佳斯，任富增为通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究工作获得了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金的资助，并得到南方科技大学公共分析测试中心的技术支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c05430

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：曾昱雯