cMat西北工业大学深圳研究院:仿生设计具有优异耐磨性的石墨烯/CoCrNi多主元合金复合材料
文章名称：仿生设计具有优异耐磨性的石墨烯/CoCrNi多主元合金复合材料
作者信息：叶雯婷，李硕，李玉森，周青，朱龙辉，陈彪，贺一轩，王海丰，Benyebka Bou‐Saïd，Evgeny Trofimov，刘维民叶雯婷，李硕，周青，朱龙辉，陈彪，贺一轩，王海丰：西北工业大学深圳研究院刘维民：中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室引用信息：Ye, W.-T., Li S., Li Y.-S., Zhou Q., Zhu L.-H., Chen B., He Y.-X., Wang H.-F., Bou-Saïd B., Trofimov E. and Liu W.-M. (2026), Bioinspired design of extraordinary wear-resistant graphene/CoCrNi multi-principal element alloy composites. cMat,3: e70034. https://doi.org/10.1002/cmt2.70034在多主元合金复合材料中，追求兼具高耐磨性和优异润滑性常常受到性能间权衡的制约。西北工业大学周青课题组在cMat上发表题为“Bioinspired design of extraordinary wear-resistant graphene/CoCrNi multi-principal element alloy composites”的文章，本研究受珍珠质层状结构的启发，开发了一种片状粉末冶金策略，在石墨烯/CoCrNi多主元合金复合材料中构建了自组装的层状结构。该方法突破了传统工艺的局限，成功实现了高含量3.0 wt%石墨烯的均匀分散。所得复合材料表现出罕见的双重性能提升：耐磨性提高了一个数量级，同时保持低摩擦系数。有趣的是，摩擦性能表现出显著的各向异性，当滑动方向垂直于片层时性能最佳。通过分子动力学模拟、有限元分析和系统实验相结合的多尺度方法，发现这种卓越性能来源于高密度变形纳米孪晶、有效的应变非局域化和丰富的石墨烯衍生润滑位点的协同作用。这项工作为开发兼具机械鲁棒性和表面功能性的下一代结构材料提供了广泛启示。1.采用仿生片状粉末冶金策略构建自组装层状结构，实现高含量石墨烯均匀分散。2.层状复合材料摩擦行为呈现显著各向异性，垂直于片层方向耐磨性和润滑性最优。3.优异性能源于高密度变形纳米孪晶、应变非局域化与石墨烯衍生连续润滑膜的协同作用。 研究团队采用片状粉末冶金方法，先将球形CoCrNi粉末球磨为高径厚比的片状粉末，再与石墨烯混合，通过SPS烧结成功构建了Gr/MPEAAL复合材料。该复合材料的截面形貌呈现出鲜明的“砖-泥”层状架构，其中原位碳化物（Cr7C3）沿层状结构均匀分布，证实了高含量石墨烯实现了均匀分散，与Gr/MPEAS中原位碳化物在原始粉末边界处明显团聚形成鲜明对比。图2. 不同第二相增强的多主元合金的磨损率与摩擦系数对比。 Gr/MPEAAL复合材料在三个不同滑动方向上的磨损率分别降至6.2×10-6、5.1×10-6和4.3×10-6 mm3 N-1 m-1，均达到了超低表面损伤水平。与纯CoCrNi相比，其抗磨损能力实现了约一个数量级的提升，充分证明了Gr/MPEAAL复合材料具有卓越的耐磨性，并成功实现了“润滑-耐磨”的双重协同优化。该复合材料中高含量的石墨烯以及原位碳化物的特定分布模式，其包括摩擦系数和耐磨性在内的综合摩擦学性能，在目前已报道的Gr/FCC基MPEA复合材料中达到了最优水平。图3. Gr/MPEAAL复合材料的减磨耐磨机理。将层状结构引入Gr/MPEA复合材料后，有效缓解了滑动摩擦过程中石墨烯团聚引起的严重脆化问题。Gr/MPEAAL-VD复合材料卓越的耐磨性来源于高密度变形纳米孪晶、均匀的应变分布以及片层间的协同变形。此外，更多的石墨烯诱导“潜在润滑”位点和更高的弹性回复显著降低了摩擦，使Gr/MPEAAL-VD复合材料相比大多数高/中熵合金复合材料具有更优异的磨损性能。
周青，男，西北工业大学。2017年9月毕业于西安交通大学，目前在西北工业大学先进润滑与密封材料研究中心刘维民院士团队任职。主要从事涂层强韧化与表面防护的教学和科研工作，在Acta Mater.等期刊发表论文60余篇，包括9篇热点论文、19篇高被引论文，近5年被引6000余次。以第一发明人授权专利10余件，其中2件具有自主知识产权的多层膜制备技术已成功转让企业。入选教育部青年长江学者，荣获中国材料研究学会科学技术奖基础研究一等奖、中国材料研究学会科学技术奖青年科技奖等。承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金3项、陕西省重点研发计划等多项项目。
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