中国石油大学：跨学科研究揭示材料摩擦磁化的起源！
研究背景
摩擦磁化作为一种自然现象被人类认知已有很长时间了，现已在工业中逐渐开始应用（例如磁控摩擦技术、PTFE复合材料耐磨性和磨损状态检测技术等）。然而关于该现象的产生原因和形成机理仍然众说纷纭：一种观点认为摩擦磁化效应的产生来源于摩擦过程中形成的微米级的磁性颗粒；另一种观点认为界面的滑动激活作用致使表面的磁畴在地磁场条件下转向同一方向，从而产生磁化现象。因此，阐明这种自然现象的来源和机理具有重要的科学价值和工程意义。
现阶段，国内外对于摩擦磁化现象的研究大多集中于界面摩擦学，获取的研究结果更类似于摩擦磁化表象的一种描述，且尚未建立过相关的理论模型。根据经典摩擦学理论，如果两个滑动物体之间存在硬度差，在滑动过程中，较硬物体表面的微凸体会切削较软一方的物体表面，导致材料表面会产生无约束的塑性流动。因此，在微观尺度上，界面的剪切不仅会造成表面上的破坏，而且会在界面下产生较大塑性应变、剪切折叠、堆积和裂纹。根据铁磁学理论，摩擦行为引起的材料微观结构的变化会对磁畴的运动、结构产生影响，从而导致磁化特性的畸变。因此，对于摩擦磁化效应的研究，应该聚焦于由界面滑动行为引起的亚表层的微观结构演化。
前期工作基础
中国石油大学（北京）高富民（博士），樊建春教授（通讯作者）建立了磁畴组织原位观测系统，原位观测了摩擦过程中，滑动接触区域的磁畴组织变化规律。研究结果表明滑动过程中，摩擦接触区域的磁畴组织畴壁会变厚、畴壁的间距会增宽、且磁畴组织会转向垂直于往复滑动的方向，由此推断该变化可能与接触区的弹塑性形变有关。该研究成果以题为“In situ observation of the magnetic domain inthe process of ferroalloy friction”发表在Tribology International 2016.
近期突破性研究成果
然而，针对滑动过程中，摩擦接触区域的弹塑性形变对于磁化效应的具体作用机制尚不清楚。因此，中国石油大学（北京）高富民（博士）申请了中国留学基金委的资助，并联合英国莱斯特大学Bo Chen教授（通讯作者），对摩擦磁化的产生和演变进行了交叉学科研究（铁磁学，摩擦学和材料学），揭示了滑动界面下的亚表层区域的重要性。相关研究以题为“Unravelingthe Origin of Tribomagnetization in Ferromagnetic Materials”发表在ACS Applied Materials and Interfaces 2020。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.0c15044
该研究聚焦于摩擦磁化的演化与亚表层微观结构的变化。试验过程测量了摩擦过程中的摩擦接触区域的磁场变化规律，并分析了界面的磨损状态，发现界面的磨损形式与摩擦表面的磁场变化呈现同步关系，并存在四个摩擦磁化阶段。而后，截取了不同磁化阶段内的磨痕端面，分析了亚表层区域的微观结构和磁畴组织变化，发现摩擦过程中，界面不同形式的摩擦行为会引起表层及亚表层区域内的几何必要位错(GNDs) 密度的增加和高密度位错区域的扩展，从而引起不同程度的磁化效应的增加。并在该试验研究的基础上，建立了基于亚表层弹塑性形变诱导的摩擦磁化模型，实验结果和模拟结果展现出良好的一致性。同时，通过摩擦磁化模型研究发现，滑动界面的塑性应变和磨痕宽度决定着亚表层区域的几何必要位错的发展，从而影响磁化效应。
图1 摩擦磁化效应的形成机理示意图 (a)表层及亚表层区域的分析；(b)摩擦磁化模型建立及验证
总体来说，本研究通过磁畴原位观测试验，发现了摩擦磁化效应的产生与滑动过程中亚表层的微观结构有关；而后结合摩擦学、材料学和铁磁学等学科理论知识，深入探究滑动过程中亚表层区域微观结构和磁畴变化，建立了摩擦磁化模型，阐明了摩擦磁化效应的来源。研究结果对于解释和利用该自然现象奠定了理论基础。
致谢
感谢英国工程与物理科学研究委员会EPSRC计划（EP/P025978/1和EP/R043973/1）。本研究由国家自然科学基金资助（51275528）、中国石油大学（北京）科学基金（2462018YJRC035）和国家留学基金委的支持。