高温自润滑复合材料的制备及摩擦学性能的研究

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MoS2和石墨等常规固体润滑剂在大气中450℃以上因氧化而失去润滑作用,随着现代工业的发展,特别是航空航天工业、空间技术的发展,要求零件能承受更高的温度环境。开发耐高温的固体润滑材料就具有了很强的理论和应用价值,成为目前摩擦学领域的重点课题之一。固体润滑剂的使用方法有多种,包括利用各种制膜技术制成覆膜(溅射、等离子喷镀和粘结剂粘结等)、直接将粉末固体润滑剂添加到油脂中和制备成整体复合材料等。覆盖膜的寿命较短,在油脂中润滑剂分散困难、易团聚,所以限制了它们的使用;由多种成分组成的复合材料可以克服以上不足,兼有固体润滑剂良好的润滑性能以及基体材料优异的机械性能,但是不确定的因素却很多(如润滑剂和基体的种类及相互匹配,润滑剂粒度、含量和分布,制备方法等),需要进一步的深入研究。镍—铬合金是一种性能优异的高温合金,作者将固体润滑剂MoS2和LaF3添加到镍—铬合金中,制备出了Ni-Cr基自润滑复合材料并考察了其摩擦学性能,发现Ni-Cr基自润滑复合材料在中、常温下靠MoS2膜来润滑;反应生成的氧化物NiMoO4在高温下起到润滑作用。由上可知,氧化物在高温下有很好的润滑效果。与MoS2和石墨类似,YBa2Cu3O7(YBCO)是具有类层状结构的氧化物,有较大c/a比,有望成为新一代的高温固体润滑材料。但YBCO属于陶瓷材料,其脆性和不易加工等急待改善。掺杂是改善陶瓷性能的一种简单、高效的方法。目前,国内外用金属(Au、Ag、Pb等)来改善YBCO加工性,把其放在Ag管中拉制成超导电缆,同时Ag的加入还可以提高其临界电流密度和机械性能等的研究报道很多,但是对摩擦学性能方面的研究却很少见,因此加强这方面的研究可以拓宽超导材料的应用领域,对开发其他新型固体润滑材料有一定的借鉴意义。本论文首先采用固相反应法制备出了YBCO粉体,XRD和SEM分析表明所制备的粉体均一、杂相少,满足后续试验的要求。通过综合分析,优选了金属银作为掺杂相,为了便于比较,银分别以金属银粉和硝酸银晶体两种方式引入到基体中,利用粉末冶金法制备出了YBCO/Ag金属陶瓷白润滑复合材料,并重点考察了复合材料的机械性能和摩擦学性能,探讨了其增韧机理和摩擦机理。研究结果表明,掺杂金属Ag有效地改善了高温超导氧化物陶瓷YBCO的脆性,存在于晶粒间的Ag微粒起到黏结相的作用,有效抑制裂纹的萌生和扩展,对裂纹起弥合作用。从常温到高温,YBCO/Ag复合材料都表现出优良的摩擦学性能,软金属膜+硬基体是其减摩耐磨机理。由AgNO3晶体制备出的复合材料基体内Ag微粒的粒径更小,分布更加均匀,团聚少,宏观上表现出更好的综合性能。
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