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TiN-Ag固溶体涂层通过催化基础油实现超低摩擦磨损

TiN-Ag固溶体涂层；催化；硬度；润滑且耐磨；分子动力学

润滑在降低能耗和机械磨损方面发挥着重要作用，并对技术发展，经济发展和环境具有深远的影响。在薄膜领域，人们认为合适的涂层材料应具有良好的机械性能和耐磨损能力，此外还要拥有良好的催化性能，以确保薄膜在界面剪切过程中持续产生润滑摩擦膜并降低摩擦力。最近的一项研究[Erdemir et.al., Nature 536, 67 (2016)]表明：嵌入涂层的纳米铜颗粒在摩擦过程中暴露在滑动表面，通过其本身的催化活性分解了基础油分子并从其中提取出了石墨摩擦膜，这使得摩擦系数大幅度降低。这种催化活性涂层的设计方案使得创新性润滑材料的研究和开发成为可能。但是，上述涂层的硬度仅有大约20 GPa，而且相分离结构也会导致滑动界面在反复摩擦的过程中发生损伤。因此，在保证涂层具有催化活性的基础上，寻找具有更优异的力学性能的涂层材料，对实际应用至关重要。本工作展示了一种固溶强化和催化功能一体化的涂层设计方案，利用该方案，我们将2.7%的Ag原子引入到TiN晶格中去置换Ti原子，得到单相TiN-Ag固溶体薄膜,并在基础油的环境中同时实现了超低摩擦和超低磨损。纳米压痕测试揭示了TiN-Ag固溶体涂层罕见的超硬性质(~40GPa)，拉曼光谱，XPS能谱以及分子动力学模拟共同证明了固溶Ag原子可以诱导涂层表面自氧化，生成具有催化活性的TiO₂/Ag₂O混合物，使得基础油分子链裂解重组成石墨，并吸附于涂层表面，提供润滑效果。球盘式摩擦实验结果表明：该固溶体薄膜在5N载荷下的摩擦系数约为0.075，磨损率为5.56×10^-11 mm³/Nm。综上所述，我们发现固溶强化和催化功能一体化在创新性润滑材料的研究方面是一种有效的设计方案，利用该方案设计的材料同时具有优异的防护性能和催化润滑功能，在微型设备到大型工业设备的应用范围内，具有良好的应用前景。

以上工作发表于: J. Phys. Chem. Lett. 11(5), 2020, 1614-1621.