退火诱导的氧化物-基体相互作用及其对CoCrFeMnNi高熵合金薄膜电性能的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Annealing-Induced Oxide–Matrix Interactions and Their Impact on Electrical Properties of CoCrFeMnNi High-Entropy Alloy Thin Films

铜基复合材料 MoSi2 增强相制备工艺与摩擦学性能研究显示，机械球磨结合 Spark 等离子烧结可优化 Cu-GNS-MoSi2 微观结构，提升室温耐磨性至 3.2 mm3（较对照组降低 42%），但 200℃ 时因基体软化导致摩擦系数上升 0.15。电流条件下形成 SiO2 三角膜（厚度 5-8 nm），将磨损率降低至 0.18 mm3/min·N。XRD 分析表明 MoSi2含量 5 wt.%时晶粒尺寸细化至 12.3 μm。摩擦学性能与界面结合强度（XPS测得 MoSi2-Cu界面结合能 4.2 eV）呈正相关，但热稳定性影响高温性能。

　　

樊坤阳|李艳|王燕|姜文煌|刘青泉|黄彦彦|范玲玲|肖彦龙

成都大学机械工程学院，中国四川省成都市610106

摘要

为了推进高性能铜基材料在复杂摩擦环境中的应用，通过机械球磨和火花等离子烧结（SPS）工艺制备了MoSi₂增强的Cu–石墨烯纳米片（GNS）复合材料。系统研究了MoSi₂对复合材料微观结构、电导率和摩擦学性能的影响，测试条件包括室温、高温（200°C）以及载流摩擦。结果表明，MoSi₂的添加改善了铜的晶粒结构，提高了硬度，并增强了界面相容性，从而提升了复合材料的整体结构完整性。尽管电导率略有下降，但复合材料在摩擦减缓和耐磨性方面表现出显著提升，尤其是在室温下，主要的磨损机制从粘着磨损转变为磨料磨损。在200°C时，铜基体的软化导致摩擦和磨损增加，而MoSi₂由于热不稳定性的影响，其增强效果有限。在载流条件下，机械磨损和电弧侵蚀的共同作用主导了摩擦学行为。然而，由MoSi₂氧化产生的SiO₂润滑膜有效抑制了表面损伤。本研究揭示了粘着磨损、磨料磨损和电弧侵蚀是主要的磨损机制，为极端服役环境下多功能铜基复合材料的界面工程和高温摩擦学优化提供了重要见解。

引言

随着航空航天、军事装备、铁路运输和电子技术的快速发展，对能够在高温和载流摩擦条件下可靠运行的材料需求日益增加[1]、[2]。例如，开关和断路器中的电接触材料以及高速列车牵引电机中的刷材，需要在载流和高温条件下具备稳定且优异的摩擦学性能[3]、[4]。在这种应用中，传统的机械磨损与电热效应相互叠加。在载流摩擦中，摩擦副同时受到摩擦力、电流、摩擦热和焦耳热的影响[5]、[6]、[7]。在高温下，材料可能发生强度下降、塑性流动加剧和蠕变，以及内部热应力，这些因素会加速裂纹的产生/扩展和过早失效[8]。这些耦合效应对滑动接触材料提出了更严格的要求，以确保设备的可靠性和安全性。

铜基复合材料因其优异的电导率、机械性能和耐磨性而成为高温载流摩擦环境中的理想候选材料[9]、[10]、[11]。为了优化性能，人们探索了多种增强方式。石墨烯（GNS）凭借其高比表面积、优异的机械强度、电导率和固体润滑能力，在铜基复合材料中显示出巨大潜力[7]、[12]、[13]。Li等人[14]报告称，通过热压烧结制备的不同石墨烯含量（GNS）增强的铜基复合材料在机械性能和摩擦学性能上都有显著提升。石墨烯作为有效的固体润滑剂，同时增强了复合材料的强度和润滑效果。Yang等人[15]发现，在载流条件下，铜/石墨烯复合材料主要表现出混合磨损机制，即机械磨损与电磨损并存。石墨烯在摩擦表面形成润滑膜，减少了粘着磨损和电磨损。然而，尽管具有这些优势，铜-GNS复合材料仍存在固有的局限性：铜的屈服强度较低，以及GNS的分散和锚定（聚集、界面结合弱）问题，特别是在界面因热和电流反复作用而重建的情况下，会导致润滑膜的不稳定性[16]、[17]。

最近在电热滑动条件下对铜基复合材料的研究表明，有两种有效的设计策略：（i）引入低剪切强度的碳质相（石墨/石墨烯）以降低环境条件下的界面剪切强度并稳定摩擦[15]、[18]、[19]；（ii）添加承重硬质或半导体颗粒（如碳化物/硼化物/硅化物增强剂）以提高基体硬度、细化晶粒、抑制塑性流动，从而减少持续磨损，同时尽量减少对电导率的负面影响[15]、[20]、[21]。在金属基铜系统中，研究表明，在高温和/或载流条件下平衡这两种策略至关重要，因为接触电阻的波动和润滑膜的重建可能会破坏界面稳定性[15]、[22]。这种基于机制的视角自然激发了将碳质固体润滑剂与导电硬质相结合的共增强策略，以实现剪切和承载功能的协同管理。

在这种背景下，MoSi₂作为一种有吸引力的共增强材料脱颖而出，因为它结合了类似陶瓷的硬度（用于承载和晶界固定）和类似金属的电导率以及高温稳定性。此外，MoSi₂颗粒可以通过提供异质位点并限制GNS的聚集来改善其分散和锚定[23]。当MoSi₂作为增强相掺入Cu-GNS复合材料时，可得到具有优异机械性能、电导率和耐磨性的Cu-GNS-MoSi₂复合材料[24]。鉴于其出色的高温抗性和电导率，MoSi₂改性的Cu-GNS复合材料在高温载流摩擦环境中具有巨大应用潜力。然而，Cu–GNS–MoSi₂复合材料在高温和载流条件下的摩擦学行为仍需进一步研究，特别是基体软化、电弧侵蚀、润滑膜形成之间的相互作用，以及这些过程如何改变摩擦和磨损机制。为了充分发挥其潜力，系统研究这些复合材料在不同工况下的摩擦学行为和损伤机制至关重要。

本研究采用机械球磨后火花等离子烧结工艺制备了MoSi₂增强的Cu-GNS复合材料（以下简称Cu-MoSi₂-GNS），并系统分析了MoSi₂对复合材料微观结构、电导率和摩擦学性能的影响，测试条件包括室温、高温和载流摩擦。研究揭示了Cu-MoSi₂-GNS复合材料的摩擦学特性，并探讨了机械磨损、热效应和电弧放电等关键因素对其性能的影响。这些发现为优化高性能、可靠的铜基材料的设计和开发提供了宝贵的理论依据，以满足各种摩擦环境的需求。

材料制备

实验所用原材料包括电解铜粉（纯度99.98%，粒径<75 μm）、MoSi₂粉（纯度99.9%，粒径1–5 μm）和纳米石墨烯片（GNS）（纯度98%，单层厚度2 nm，片径约5 μm）。

为了研究MoSi₂颗粒对Cu-GNS复合材料的影响，向Cu-GNS中添加了5 wt.%的MoSi₂粉，标记为CGM5。同时，未添加MoSi₂的Cu-GNS复合材料作为对照组，标记为CG。

Cu-MoSi_2-GNS复合材料的组成和微观结构

图2a展示了Cu-MoSi₂-GNS复合材料的XRD图谱。两种复合材料均主要显示出铜的衍射峰。加入MoSi₂后，出现了额外的MoSi₂衍射峰，证实了其在复合材料中的存在。然而，未检测到与GNS相关的衍射峰，这可能是由于GNS在样品中的含量较低，以及碳原子的散射强度相对于铜较弱所致。

结论

采用机械球磨和火花等离子烧结工艺合成了MoSi₂增强的Cu-GNS复合材料。系统分析了MoSi₂在不同摩擦环境（室温、高温200°C和载流摩擦）下对复合材料微观结构、电导率和摩擦学性能的影响。主要研究结果如下：

(1)

MoSi₂的添加改善了铜的晶粒结构，并固定了GNS和铜的晶粒

作者贡献声明

肖彦龙：软件开发，资金筹集。范玲玲：方法学研究，资金筹集。黄彦彦：软件开发，资金筹集。刘青泉：方法学研究。姜文煌：方法学研究，实验设计。王燕：数据分析，数据整理。李艳：初稿撰写，实验设计，数据整理。樊坤阳：审稿与编辑，初稿撰写，方法学研究，概念构思

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢：

我们衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52205182、52105184）和四川省科技计划（项目编号2025ZNSFSC1342）的财政支持。