摩擦磨损是导致机械系统能量耗散与结构退化的核心诱因，直接制约装备服役安全与可靠性。尽管摩擦磨损不可避免，但近零磨损与极端工况润滑材料与技术的突破，有望从根本上提升装备的使役寿命。因此，构建跨工况多环境的超低磨损与自润滑材料体系与揭示极端条件下摩擦界面的演化机制，是摩擦学领域的重要研究目标。

中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室高温摩擦学课题组，围绕新型超硬WB₄材料，从材料本征结构性能调控、极端环境物理化学本质、跨尺度界面演变规律三个核心维度，开展了系统性研究。基于“抑损-再生”理念，提出了复杂极端工况下摩擦化学物理驱动的原位自修复近零磨损策略，构建了强共价键超硬基体与低剪切强度润滑表面一体化协同防护结构。

高硬度是实现超低磨损的关键因素，针对WB₄中软质β-B相限制整体性能，团队提出硼同素异形体协同强化策略。采用放电等离子烧结技术将β-B相转变为更高硬度的T-B相，形成纳米WB₄晶粒与高密度层错T-B晶粒交替镶嵌的结构。晶粒细化、超硬第二相强化以及高畸变晶界等强化机制有效抑制位错运动与裂纹扩展，使其维氏硬度达到63 GPa，超过已知过渡金属硼化物的硬度。相关成果发表于Advanced Functional Materials（2025; 35: 2507050）。

图1. 大尺寸WB₄超硬材料的制备技术与硬化机制

摩擦往往伴随着磨损，材料的磨损不可避免，团队提出基于磨损自修复策略，将有害摩擦能耗转化为有益的界面物质补偿。WB₄基体提供高承载能力与稳定摩擦表面，通过调控真空度可诱导表面微观重构，原位构筑非晶/纳米晶双层稳定的摩擦层自修复结构；利用氧含量调控摩擦化学反应与去除速率，通过氧化层体积膨胀实现磨损补偿。在低真空下实现± 10^-8 mm³/Nm量级近零磨损及“正―零―负磨损”调控，为长寿命临近空间与低轨道机械动部件提供了关键技术支撑。相关成果发表于Communications Materials（2024; 5: 222）。

图2. 低真空环境中WB₄近零磨损行为与磨损自修复机制

针对高湿及交变湿度工况，利用水分子兼具界面“破坏者”与“润滑剂”的双重作用，通过调控界面反应路径引导水分子参与润滑结构的构筑。研究发现水分子参与摩擦界面反应，诱导WB₄在接触区发生原位氧化与水合化，生成富含硼酸（H₃BO₃）的润滑薄膜。薄膜依靠弱范德华力与水分子物理吸附实现低剪切滑动；超硬基底为软质润滑膜提供力学支撑，有效避免膜层在交变应力下破裂。材料在高湿环境中展现出0.14的低摩擦系数与10^-8 mm³/Nm超低磨损率。相关成果发表于Journal of Advanced Ceramics（2024; 13: 1955-64）。

图3. 不同湿度环境下WB₄材料的超低磨损的自适应特性

针对航空航天领域千度以上极端高温润滑的挑战，研究团队将极端热能转化为材料原位自润滑动力，利用WB₄超硬材料在1100 °C高温热力耦合下的动态演变，生成千度高温自润滑“油”。超高温摩擦过程中，表面原位生成熔融态B₂O₃液态润滑剂和WO₃层状固态润滑剂，摩擦系数低至0.07。固液混合润滑机制赋予材料超高温下稳定润滑，为极端高温机械装备润滑技术革新开辟了新途径。相关成果发表于Advanced Functional Materials（2026; e75711）。

图4. 千度高温自润滑 “油” 及其 固液复合润滑机制

上述系列研究系统揭示了WB₄基超硬材料在宽域极端工况下的摩擦学响应机制，建立了“基体强化—界面调控—环境适配”的一体化设计方法，为宽域极端工况长效防护超硬材料的研发提供了重要理论基础。侯桂鑫为系列论文的第一作者，朱圣宇研究员、杨军研究员为共同通讯作者。

以上研究工作得到了国家自然科学基金、甘肃省科技重大专项、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院“西部之光”基金、中国科学院青年创新促进会基金等项目资助。