IMP 揭示鎢合金球的摩擦磨損行為

中國科學院（CAS）近代物理研究所（IMP）的研究人員最近揭示了鎢合金球的集體摩擦和磨損行為，該合金球是加速器驅動亞臨界系統（ADS）的重要候選目標材料。這個結果發表在《Tribology International》雜誌上。

顆粒流散裂靶，這一新概念靶被認為是 ADS 最有前途的候選靶類型之一。散裂靶可在高溫、強輻射等極端條件下繼續工作。

此外，在靶環中迴圈的眾多靶球會產生強烈而複雜的摩擦和磨損行為，影響靶球的使用壽命。截至目前為止，尚未提出合適的方法來評估由顆粒集體運動引起的摩擦和磨損行為。

由於該合金球成本低卻具有優異的性能，所以其被認為是顆粒流散裂靶材的重要候選材料之一。中國科學院近代物理研究所利用自主研發的裝置，研究人員在250℃下進行了集體磨損探索實驗。

IMP的研究人員發現靶球的品質損失率先增大後減小，最大約為 0.32 wt%，最終達到約 0.28 wt.% 的穩態。

研究人員將整個過程分為幾個階段，分別對應了不同的摩擦磨損行為。在集體摩擦初期以疲勞磨損為主，然後球體表面的微裂紋網路開始萌芽並發展為壓碎層。在壓碎層脫落後，次表面開始磨損。最後，在球表面形成具有非晶圍繞納米晶體（amorphous surrounding nanocrystallines）結構的自組裝新層（self-assembled new layer）。

據研究人員介紹，由於自組裝新層對摩擦缺陷具有更大的耐受性，並且可以抑制微裂紋的傳播，因此這種新層有助於提高球表面的耐磨性，也解釋了靶球的品質損失率先增大後減小的這一發現。

此外，此次探索實驗還揭示了磨屑（wear debris）的重要作用。在早期，磨屑有助於頂部壓碎層的形成。在中間階段，磨屑充當球體之間的固體潤滑劑和緩衝層，減緩摩擦和磨損。並在後期參與自組裝層的形成，起到保護球的作用。

研究結果不僅為評價顆粒散裂靶的摩擦磨損行為提供了重要的實驗方法，而且從摩擦學的角度為鎢合金球作為散裂靶材料的使用壽命提供了評價資料。

IMP的這一工作得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、中國與先進能源科技廣東省實驗室的支援。

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