钛基复合材料凭借优异的比强度、比刚度和耐腐蚀性，在航空航天、海洋工程、高端装备等领域具有广阔应用前景。然而，钛合金在重载滑动工况下易发生严重的粘着磨损和塑性变形，限制了其在关键摩擦副部件中的进一步应用。氮化硼纳米片（BNNS）作为典型的二维自润滑增强相，为钛基复合材料的性能提升提供了新思路，但烧结过程中 BNNS 与钛基体的界面演化及其对摩擦学行为的调控机制尚不明确。
近日，常州工学院刘振强博士、江苏大学王匀教授团队联合中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室，提出了一种通过直流烧结（DCS）调控界面演化的新策略，成功在钛基复合材料中构建了三维纳米刷构型增强相，实现了高载下耐磨性能的显著提升。相关成果以 “Enhancing high‑load wear resistance in titanium matrix composites with nano‑brush‑like configurations: Experiments and molecular simulations” 为题，发表于国际摩擦学顶级期刊 Tribology International。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.triboint.2026.112091
研究发现，通过精准控制直流烧结时间，可以实现复合材料界面结构的可控演化：从初始的BNNS，经原位反应生成BNNS/TiB组成的三维纳米刷构型，最终转变为粗化的TiB晶须。在相同温度条件下，不同的界面构型显著影响材料的摩擦学行为与力学性能。随着烧结时间的变化，含纳米刷构型的复合材料展现出与传统晶须增强材料截然不同的性能优势。
图1 BNNSs/Ti6Al4V复合材料与TiB/Ti6Al4V复合材料的制备工艺示意图
图2 材料形貌表征：(a1) 0.5 vol% BNNSs/Ti6Al4V混合粉末；(a2) Ti6Al4V粉末表面的BNNSs；(b1) 5-TMC的微观组织；(b2) 5-TMC中的刷状构型；(c1) 15-TMC的微观组织；(c2) 15-TMC中粗化的TiB晶须
摩擦磨损实验表明，含纳米刷构型的复合材料（5-TMC）在高载工况下的耐磨性能得到了突破性提升：在20 N载荷下，其磨损率仅为57.0×10⁻⁵ mm³·N⁻¹·m⁻¹，相较于TiB晶须增强复合材料降低了约25%，相较于Ti6Al4V基体降低了约31%。同时，其摩擦系数在高载下也表现出更低、更稳定的特征，展现出优异的摩擦学稳定性。
图3 材料的摩擦磨损性能：不同材料在2 N (a)、10 N (b)、15 N (c)和20 N (d) 载荷下的典型摩擦系数曲线；不同载荷下各材料的平均摩擦系数(e)及磨损率(f)变化曲线
为了深入揭示其内在机理，团队结合分子动力学模拟，从原子尺度阐明了纳米刷构型的强化与润滑协同机制：
1.强界面承载效应：纳米刷构型与钛基体形成半共格强结合界面，形成了强约束界面网络。在高载滑动过程中，该界面可高效承载并分散接触应力，避免了基体因局部应力过载而发生的早期塑性流变，为材料提供了优异的抗塑性变形与抗磨损失效能力；
2.原位自润滑作用：滑动过程中，BNNS被剪切剥离，原位形成连续的保护性润滑膜，有效降低了界面剪切阻力；
3.位错调控与应变硬化：TiB纳米线对钛基体中的位错起到了强烈的钉扎作用，延迟了塑性变形的起始，并促进了位错的增殖与储存，实现了优异的应变硬化效果，有效抑制了磨粒的犁削作用。
图4 纳米划痕分子动力学模拟过程中摩擦系数(COF)、切向力(Fx)与法向力 (Fz)的变化：(a1-a2) 2 Å；(b1-b2) 6 Å；(c1-c2) 10 Å
图5 (a) BNNSs/Ti界面与BNNSs-TiB/Ti界面的压痕载荷-位移曲线；(b) 两种模型的位错密度变化；(c, d) 两种模型弛豫后的晶格畸变程度（原子按位移程度着色）
图6 不同压痕深度下BNNS/Ti模型与BNNS-TiB/Ti模型的缺陷形核与演化（图中隐藏了基体）
图7 BNNS/Ti界面 (a) 与刷状BNNS-TiB/Ti界面 (b) 磨损行为的机理示意图
该研究为面向重载极端工况的钛基复合材料界面设计提供了全新策略，对拓展钛基复合材料在高端装备关键摩擦副中的工程应用具有重要价值。
论文第一作者为常州工学院刘振强博士，通讯作者为江苏大学王匀教授。研究工作得到了海洋关键材料全国重点实验室开放基金、江苏省高校自然科学基金、国家自然科学基金等项目的支持。
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
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