研究背景

近年来研究发现，通过溶质偏析改变晶界能，可使一些二元合金获得热稳定的纳米晶结构。已有研究展示了这类合金卓越的热稳定性，许多合金在长时间接近熔点温度的环境下，晶粒生长现象极不明显。超低磨损材料通常指磨损率在单原子层量级，即特定磨损率低于10−8 mm3 N−1 m−1的材料。像类金刚石碳（DLC）、石墨、金属二硫化物（如MoS2和WS2 ）、金属氮化物、碳化物（如Si3N4和 WC ）、半导体（如 GaN）以及部分聚合物纳米复合材料（如 PTFE - 氧化铝）等都属于此类。但金属材料作为一个类别，以往很少能达到超低磨损标准。

部分材料如石墨和金属二硫化物，依靠形成高度有序、低剪切强度的层状表面膜来降低摩擦和提高耐磨性，不过这种机制仅在特定环境下有效。对于金属而言，表面微观结构细化与摩擦和耐磨性改善相关，这意味着能抵抗热和机械驱动晶粒生长的合金，理论上应比传统合金具备更低摩擦和更高耐磨性。

在金属摩擦过程中，循环接触应力会引发金属变形，进而致使微观结构演变、缺陷成核，最终产生磨损颗粒。对于纳米晶金属，当表面应力不超其流动应力时，磨损主要由疲劳主导，即接触应力反复循环形成裂纹，导致内聚失效产生磨损颗粒，这一过程被称为 “分层磨损机制”。大多数粗晶金属在循环加载下会发生位错介导的塑性变形、胞状结构形成和晶粒细化，而晶界不稳定的纳米晶金属在循环加载时可能出现晶粒生长，这会促进裂纹形成，增加了实现金属超低磨损的难度。

实验方法

材料制备：用直流磁控溅射法在低温下制备Pt90Au10薄膜，膜厚精度达埃级，成分经波长色散光谱验证。

摩擦磨损测试：定制线性往复摩擦计，在特定温湿度条件下，用不同材质球体在薄膜上往复滑动，用扫描白光干涉仪测磨损率。

微观结构表征：用透射电镜观察薄膜微观结构，用能谱仪分析成分，样品退火后用聚焦离子束法制备 TEM 样品。

研究结果与讨论

研究围绕 Pt - Au 合金薄膜的微观结构、摩擦磨损性能及磨损机制展开。通过扫描透射电镜（STEM）和能谱仪（EDS）分析，发现 Pt - Au 薄膜呈现柱状结构，具有较大的晶粒纵横比。Au 在晶界和三重结处偏聚，同时在相邻晶粒内部出现溶质贫化区，且 Au 的分布高度不均匀。该薄膜展现出非凡的纳米晶热稳定性，在 500°C 退火 1 周后，晶粒尺寸无明显变化。

Figure 1. A) STEM-HAADF images of a cross-sectional view of as-deposited Pt–Au films.B) Plan-view EDS composition map showing heterogeneous Au segregation. Also shown is a quantitative line scan of Au concentration across the dashed line showing preferential segregation (i.e., above theglobal mean composition) to grain boundaries.

在实验室空气中，Pt - Au 薄膜的磨损率低至(3×10−9±1×10−9)mm3N−1m−1 ，与类金刚石碳（DLC）和蓝宝石相当，优于传统纳米晶金属，且在磨损实验中，其磨损率比更硬的蓝宝石和Si3N4探针更低或与之相近。退火处理对 Pt - Au 薄膜的磨损率没有影响，这表明其在不同热状态下都能保持优异的耐磨性。摩擦系数在 0.2 - 0.3 之间，与文献中纳米晶金属的报道相符。使用Si3N4球时，摩擦系数会逐渐增加，这是由于Si3N4球表面粗糙度较高，且其磨损颗粒会转移并嵌入 Pt - Au 薄膜中，导致表面粗糙度增加，进而使摩擦系数增大。

Figure 2. A) Cycle average friction coefficients for sapphire and Si3N4 spheres sliding against Pt–Au films in as-deposited and annealed conditions. B) Friction coefficients and specific or volumetric wear rate map of tribological materials including the present results with Pt–Au sliding against sapphire.

由于蓝宝石球表面相对光滑，接触应力在 Pt - Au 薄膜的疲劳 endurance limit 以下，从而抑制了裂纹的形核与扩展、应力诱导的微观结构演变和晶粒生长，有效抑制了疲劳驱动的磨损。而Si3N4球的磨损率较高，是因为其自身的疲劳磨损导致材料转移到 Pt - Au 薄膜中，使得 Pt - Au 薄膜的磨损轨道内出现体积增加的现象。

Figure 3. Surface topographical area scans of: A) the worn sapphire ball and B) the Pt–Au wear track near the middle of the track after 100k sliding passes. C) Representative cross-sectional wear depth plots of the ball and Pt–Au wear track. D) Representative cross-sectional STEM inside the wear track. E) Plan-view back-scattered SEM image of wear track where FIB lift-out was taken.

Pt - Au 薄膜的超低磨损率表明，其磨损机制可能主要为原子磨损，这种磨损机制此前仅在如 DLC 等高度耐磨的材料中出现。该研究首次证明了金属材料也能实现这种低磨损机制，意味着通过提高纳米晶合金的热机械稳定性，可以有效抑制传统纳米晶合金中常见的疲劳驱动分层磨损。Pt - Au 薄膜不仅具有超低磨损率和良好的摩擦性能，还具备出色的热机械稳定性。在 500°C 退火后，其摩擦和磨损性能与退火前相比几乎没有差异。此外，该合金的电阻率约为 30 nΩ・m，仅为粗晶纯铜的 1.8 倍，这一特性在需要良好导电性的应用中具有重要意义。

Figure 4. Surface topographical area scans of: A) the worn Si3N4 ball and B) the Pt–Au wear track near the end of the track after 100k sliding passes. C) Representative cross-sectional wear depth plots of the ball and Pt–Au wear track. D) Plan-view BSD and E) EDS of the wear track surface.

该研究成果为未来的研究指明了重要方向。在技术层面，Pt - Au 合金在非润滑滑动条件下的超低磨损率和卓越的热机械稳定性，使其在电气接触领域具有广阔的应用前景，特别是在对能源使用、存储和传输效率要求日益提高的背景下。在纳米和微机电设备领域，该合金有望解决应力和温度驱动的晶粒生长、氧化以及绝缘有机膜形成等问题，推动相关技术的广泛应用。此外，该合金在疲劳抗性和高强度方面的表现，也为其作为结构材料的研究提供了有前景的方向。