SrCrO4固体润滑材料的制备与摩擦学性能研究

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本文采用水热合成法和直接沉淀法两种方法分别制备出不同晶体形貌和粒径的SrCrO4粉体,采用无压烧结法制备出单相SrCrO4陶瓷,并采用热压烧结法制备出不同成分的NiCr-SrCrO4复合材料。采用X-射线衍射仪、扫描电镜、激光拉曼谱仪和摩擦磨损试验机研究了单相SrCrO4陶瓷和不同NiCr-SrCrO4复合材料的组织结构和宽温域摩擦磨损性能,分析了SrCrO4陶瓷和NiCr-SrCrO4复合材料的高温自润滑机理。在不添加任何活性剂时,采用水热合成法制备SrCrO4粉体的晶体形貌为纳米棒或纳米杆状。调节pH值不能改变SrCrO4粉体的晶体形貌,但通过添加EDTA可使SrCrO4粉体的形貌变为片状。EDTA对SrCrO4晶体的生长具有很强的抑制作用。EDTA的加入抑制了晶体的均匀形核,使SrCrO4晶体借助于聚四氟乙烯容器内壁发生非均匀形核,并生长成为片状晶体。通过同时加入无水乙醇和EDTA活性剂,采用直接沉淀法可制备出球状的SrCrO4粉体。无水乙醇的加入使SrCrO4晶体能够在乙醇和水的混合溶液中形核长大成为纳米晶,而且因为溶液中SrCrO4晶体的生长环境相同,在静电引力和分子间作用力的共同作用下SrCrO4晶体逐渐生长为含有很多纳米晶的球形颗粒。同时,由于EDTA对SrCrO4晶体表面的化学吸附作用,使SrCrO4晶体的分散性也得到了提高。采用无压烧结法制备出单相SrCrO4陶瓷,其磨损率随着温度的增加而降低,在室温、400℃和600℃下的磨损率分别为3.710-3mm3/(Nm)、5.310-4mm3/(Nm)和1.610-4mm3/(Nm)。SrCrO4陶瓷在室温下的磨损机制主要以脆性断裂、磨粒磨损为主。在400℃和600℃时磨损主要是剥层磨损。在高温磨损过程中磨痕表面形成大量的纳米细晶组织,这些细晶组织在高温下具有很好的自润滑能力,使其摩擦系数和磨损率大幅降低。采用热压烧结制备出不同成分的NiCr-SrCrO4复合材料。当SrCrO4含量为20wt.%时,复合材料在600℃时具有最好的摩擦磨损性能,摩擦系数和磨损率分别为0.28和8.0410-6mm3/(Nm)。在室温下其磨损机制为剥层磨损,而在600℃时磨损表面形成了一层含SrCrO4的自润滑转移膜,能很好地降低摩擦磨损。同时,磨损次表面形成了一层氧化物层,其主要成分为NiO、Cr2O3和SrCrO4。NiCr-SrCrO4复合材料的高温自润滑是依靠润滑层和氧化层共同起作用。
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