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原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Jicheng Li, Yunfeng Su, et al. High-entropy diboride: A Novel high-temperature self-lubricating ceramic with enhanced mechanical and tribological properties. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221085
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221085
1. 导读
近日，中国科学院兰州化学物理研究所张永胜研究团队基于高熵设计理念和摩擦学调控原理合成了一种具有典型六方结构、小晶粒尺寸以及元素分布均匀的高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷，该新型高熵硼化物陶瓷不仅呈现出优异的力学性能，而且得益于高温摩擦诱导原位生成的液态B2O3（＞800 ℃）与层状MoO3和V2O5润滑相的协同润滑机制，实现了宽温域（室温~1200 ℃）条件下摩擦系数和磨损率大幅度降低，尤其在1000 ℃条件下材料的摩擦系数和磨损率分别低至0.12±0.01和（（8.8±0.7）×10-5 mm3/Nm），表现出非常优异的高温低摩擦和低磨损特性。该新型高熵材料有望为解决宽温域润滑和高温润滑难题提供新的设计思路和方法，作为极端服役环境下高端机械装备运动部件极具潜力。
高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷的宽温域摩擦系数和润滑机理示意图
2．研究背景
随着高超音速飞行器等航空航天工业的发展，对具有优异机械性能和耐磨性能的超高温材料的需求急剧增加。自润滑陶瓷材料具有优异的高温热稳定性，是解决先进机械设备摩擦和磨损问题的理想材料之一。
高熵硼化物是近年来发展起来的一种新型单相固溶陶瓷，由多种IV-VI族过渡金属和B元素组成。与相应的二元化合物相比，高熵硼化物具有更优异的抗氧化性能、力学性能和高温抗蠕变性能，是一种极具潜力的新型高温润滑材料。高熵硼化物在摩擦和温度诱导条件下原位生成的氧化产物B2O3具有低熔点（熔点为470 ℃）、一定的粘度和厚度，有望成为新型“高温润滑脂”，为高温流体动力润滑提供强有力的条件，有望突破传统自润滑陶瓷的缺陷，包括直接引入固体润滑剂造成的力学性能下降，以及仅靠固体润滑剂难以实现高温下低摩擦和低磨损的统一。此外，高熵硼化物的成分具有较强的设计性，可引入一些金属润滑相来进一步优化其摩擦学性能。
3．研究结果及结论
高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷的相对密度和平均晶粒尺寸分别为94.8%和1.5 μm，其断裂韧性优异（5.4±0.3 MPa·m1/2），高于大多数已报道的相应过渡金属二硼化物和高熵二硼化物。这是由于小晶粒的存在以及穿晶和沿晶混合断裂模式改善了力学性能。而且，与传统的单相陶瓷相比，高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷具有优异的宽温域综合摩擦学性能。尤其是在1000 ℃时，摩擦系数低至0.12±0.01，磨损率也保持在较低水平（（8.8±0.7）×10-5 mm3/Nm）。这主要归因于温度和摩擦诱导原位生成的液相B2O3，它在1000 ℃下具有和润滑脂相似的粘度，像“高温润滑脂”一样为材料提供了充分的流体动力润滑；此外氧化产物MoO3和V2O5作为层状固体润滑剂也起到了协同润滑效果，同时高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷基底的优异支撑作用亦有助于提升材料的减摩抗磨性能。
4. 图文导读
图1 高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷的（a）XRD精修图谱和（b）晶粒尺寸分布图
图2 高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷的(a) TEM图；(b) 显示(001)晶面间距和(010)晶面间距的HRTEM图；(c) SAED图以及(a)中相应金属元素分布图
图3高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷在室温、600 ℃、800 ℃、1000 ℃和1200 ℃下的（a）摩擦系数曲线；(b) 平均摩擦系数和磨损率；(c、d)高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷和其他块体陶瓷在不同温度下的摩擦系数和磨损率对比
图4 800 °C时高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷 (a) 磨损表面横截面的TEM图像以及相应的元素分布；(b) (a)中表面氧化层的放大BF-S STEM图像；(c) HRTEM图像；(d) (c)的FFT图像
图5 (a) B2O3在600 ℃、800 ℃、1000 ℃和1200 ℃时的粘度；(b) 高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷和B2O3的热重曲线
图6 800 ℃时高熵(Ti0.2V0.2Nb0.2Ta0.2Mo0.2)B2陶瓷的摩擦机理图
5. 作者及研究团队简介
李继承（共同一作），男，博士，毕业于中国科学院兰州化学物理研究所。主要从事高温自润滑耐磨高熵陶瓷的设计、制备及摩擦学性能研究。在Journal of Advanced Ceramics、Journal of the American Ceramic Society、Materials & Design、Ceramics International等期刊发表SCI论文10余篇。
苏云峰（共同一作），男，博士，硕士生导师，中国科学院兰州化学物理研究所副研究员，甘肃省“杰出青年基金”获得者，中国科学院战略高技术创新基金获得者，入选“甘肃省青年科技人才托举工程”，中国科学院“西部之光”人才培养计划。2018年毕业于中国科学院大学获物理化学博士学位。主要从事特种润滑与密封材料、陶瓷材料润滑功能与结构可靠性设计的基础和应用研究工作。作为负责人承担国家自然科学基金青年科学基金项目、科技创新2030“两机”重大专项课题、国家重点研发计划项目子课题、中国科学院仪器研制项目、甘肃省重点研发计划项目、“十三五”装备预研重点项目子课题、甘肃省知识产权计划项目等10余项。在Advanced materials, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of the American Ceramic Society, Journal of Advanced Ceramics，Wear, 摩擦学学报等本领域主流核心期刊共发表SCI论文40余篇、EI论文5篇，其中以第一作者（含通讯作者）发表SCI论文20余篇，撰写英文专著章节1章，申请国家发明专利20余项。兼任《Journal of Advanced Ceramics》青年编委，甘肃省材料学会理事、中国硅酸盐学会特种陶瓷分会青年工作委员会委员、中国机械工程学会高级会员。获甘肃省自然科学一等奖（2024），甘肃省材料学会科学技术一等奖（2020），中国科学院兰州化物所“优秀共产党员”和“兰州化物所优秀青年”称号等奖励。
樊恒中（共同通讯作者），材料学博士，研究员，博士生导师。甘肃省领军人才，中组部/中国科学院“西部之光”人才培养计划入选者、甘肃省“杰出青年基金”获得者、甘肃省委组织部“陇原创新创业青年人才团队”负责人。致力于解决国家高端装备极端环境润滑防护及性能评价科学技术难题，通过材料跨尺度构筑多、功能协同强化设计开发了系列适用于极端环境用陶瓷润滑与防护材料。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目和区域联合重点项目课题等原创性基础研究项目，以及承担科技创新2030“两机”重大专项课题、国防重点项目、国家重点研发计划子课题、中国科学院“B类先导专项”任务等重点攻关项目累计20余项。在本领域国际主流期刊发表SCI论文70余篇，其中以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Chem. Eng. J.、J. Adv. Ceram.、Tribol. Int.等中国科学院一区Top期刊发表SCI论文30余篇，撰写英文专著章节3章。申请发明专利30余件，授权15件。获甘肃省自然科学一等奖（2024）、甘肃省材料学会科学技术一等奖（2020）、《先进陶瓷（英文）》2023年度“青瓷奖”。 兼任《Journal of Advanced Ceramics》《现代技术陶瓷》期刊青年编委，甘肃省材料学会副秘书长兼青年工作委员会主任、中国硅酸盐学会测试技术分会理事、中国机械工程学会表面工程分会青年工作委员会委员。
张永胜（共同通讯作者），男，甘肃通渭人，理学博士，全国先进工作者、国家科技创新领军人才、卓越青年科学基金获得者、甘肃省领军人才（第一层次）、中国科学院“青年创新促进会”优秀会员、中国科学院特聘核心岗位研究员。主要从事新材料创制及其摩擦磨损、润滑与密封等研究工作。2001年毕业于甘肃工业大学金属材料与热处理专业获工学学士学位，2008年于中国科学院研究生院获物理化学理学博士学位，2013年至2014年在美国西北大学从事合作研究。先后主持20余项国家重大重点科研项目，带领团队在陶瓷摩擦磨损、润滑与密封等方面作出了系统性创新性工作，攻克了超高/低温、超高速、智能自适应等润滑难题，研制的系列润滑与密封材料产品在航空航天等领域获得应用，有力支撑了相关装备的迭代升级和关键技术自主可控；开发的系列磨损与密封寿命评价装备有效加速了新材料研发应用进程，实现了润滑材料研发从基础研究-技术攻关-产品研制-性能评价-工程应用的全链条贯通。先后获甘肃省技术发明奖一等奖（第一完成人）、“西部之光”人才培养计划优秀入选者、甘肃省优秀专家、兰州“最美科技工作者”等奖励。作为主要起草人制定国家标准4项，在Adv. Mater.，J. Adv. Ceram.，Wear等本领域高质量期刊发表学术论文100余篇，申请（授权）国际和国家发明专利40余件，登记软件著作权2件。担任多个领域专家组成员、中国硅酸盐学会测试技术分会副理事长、甘肃省新材料标准化技术委员会秘书长等职，J. Adv. Ceram., 摩擦学学报等期刊编委。
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇；2024年6月发布的影响因子为18.6，连续4年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，该刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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