IMP 揭示钨合金球的摩擦磨损行为

中国科学院（CAS）近代物理研究所（IMP）的研究人员最近揭示了钨合金球的集体摩擦和磨损行为，该合金球是加速器驱动亚临界系统（ADS）的重要候选目标材料。这个结果发表在《Tribology International》杂志上。

颗粒流散裂靶，这一新概念靶被认为是 ADS 最有前途的候选靶类型之一。散裂靶可在高温、强辐射等极端条件下继续工作。

此外，在靶环中循环的众多靶球会产生强烈而复杂的摩擦和磨损行为，影响靶球的使用寿命。截至目前为止，尚未提出合适的方法来评估由颗粒集体运动引起的摩擦和磨损行为。

由于该合金球成本低却具有优异的性能，所以其被认为是颗粒流散裂靶材的重要候选材料之一。中国科学院近代物理研究所利用自主研发的装置，研究人员在250℃下进行了集体磨损探索实验。

IMP的研究人员发现靶球的质量损失率先增大后减小，最大约为 0.32 wt%，最终达到约 0.28 wt.% 的稳态。

研究人员将整个过程分为几个阶段，分别对应了不同的摩擦磨损行为。在集体摩擦初期以疲劳磨损为主，然后球体表面的微裂纹网络开始萌芽并发展为压碎层。在压碎层脱落后，次表面开始磨损。最后，在球表面形成具有非晶围绕纳米晶体（amorphous surrounding nanocrystallines）结构的自组装新层（self-assembled new layer）。

据研究人员介绍，由于自组装新层对摩擦缺陷具有更大的耐受性，并且可以抑制微裂纹的传播，因此这种新层有助于提高球表面的耐磨性，也解释了靶球的质量损失率先增大后减小的这一发现。

此外，此次探索实验还揭示了磨屑（wear debris）的重要作用。在早期，磨屑有助于顶部压碎层的形成。在中间阶段，磨屑充当球体之间的固体润滑剂和缓冲层，减缓摩擦和磨损。并在后期参与自组装层的形成，起到保护球的作用。

研究结果不仅为评价颗粒散裂靶的摩擦磨损行为提供了重要的实验方法，而且从摩擦学的角度为钨合金球作为散裂靶材料的使用寿命提供了评价数据。

IMP的这一工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中国与先进能源科技广东省实验室的支持。

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