“滑溜溜”的工程陶瓷材料是如何煉成的？

發布時間 | 2018-10-11 14:56 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 4052

石墨氮化硅氮化硼氧化鋯氧化鋁

導讀：結構陶瓷因具有較高的硬度、強度、剛度，較低的密度和優異的化學穩定性，以及高溫下優良的力學性能，而被廣泛地應用于各種不同的條件下，因此成為較好的耐磨部件材料之一。

結構陶瓷因具有較高的硬度、強度、剛度，較低的密度和優異的化學穩定性，以及高溫下優良的力學性能，而被廣泛地應用于各種不同的條件下，因此成為較好的耐磨部件材料之一。但在干摩擦條件下，陶瓷材料與陶瓷或金屬等材料配副時，摩擦因數和磨損率均較高，研究表明，摩擦因數一般在0.7~0.9之間，并容易因嚴重磨損而失效。因此，陶瓷材料能夠實現有效潤滑或自潤滑對于拓展其工程應用具有非常重要的意義。

備注：兩個既直接接觸又產生相對摩擦運動的物體所構成的體系稱為摩擦副。可以分為滑動摩擦副和滾動摩擦副。

圖：北京中材氮化硅滾珠

一、陶瓷的傳統的潤滑技術及自潤滑

目前，對工程中應用的普通結構陶瓷的潤滑方式主要有液體潤滑，潤滑脂、潤滑劑潤滑等。然而，這些傳統的潤滑方式存在著諸多的不足。例如：潤滑劑中的添加劑不與陶瓷表面發生作用，因而不能形成能充分接觸的邊界膜；現有潤滑劑由于隨溫度升高，粘性呈指數下降，易造成微凸體直接接觸；高溫下容易發生液態潤滑劑的性能衰減等；潤滑劑的使用會對環境造成一定污染等。

圖高速軸承潤滑脂

自潤滑陶瓷的研究為解決陶瓷材料摩擦因數和磨損率較高的問題提供了一條重要而有效的路徑。下文將對陶瓷材料實現自潤滑的方法做簡單介紹。

二、陶瓷材料實現自潤滑功能的方式

目前，陶瓷自潤滑材料的實現方式可以歸結為3種：a、在一定條件下，單質陶瓷材料基體具有自潤滑性；b、在一定條件下發生化學反應生成潤滑物質，在材料表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，從而實現材料的自潤滑；c、在材料基體中直接添加固體潤滑劑。

1、單質材料基體具有自潤滑性

在一定條件下，某些陶瓷材料其本身（自配副）能夠產生自潤滑現象，一般原因是：發生了摩擦化學反應或在外界潤滑介質的輔助作用下實現自潤滑性能。

例如，氧化鋁陶瓷是得到廣泛應用的耐磨材料之一，有關其高溫摩擦學特性已有了不少研究成果公開發表。Tetsuya Senda等的研究結果表明，1000℃時，氧化鋁自配對摩擦過程中磨損量下降，摩擦亞表面發生了動態再結晶并形成了細晶組織，并且發現摩擦表面玻璃態物質的形成，細晶組織和玻璃態物質的形成降低了摩擦接觸界面的粗糙度，改善了摩擦學特性。

圖圣馬爾定醫院氧化鋁陶瓷人工關節

又有趙明等對結構陶瓷氮化硅自配副的干摩擦磨損行為進行研究，得出結論：干摩擦條件下氮化硅自配副摩擦因數低，耐磨性好，表面摩擦氧化產物有利于提高氮化硅陶瓷的耐磨性，磨損機理主要表現為晶粒斷裂、脫落和表面摩擦氧化。

圖：北京中材耐磨氮化硅陶瓷軸承

更多研究此處不再展開，根據研究表明單質陶瓷材料實現自潤滑性能一般存在兩種情況：一、自配副表面發生摩擦化學反應實現自潤滑；二、在水、過氧化氫等其他潤滑介質存在的情況下，與陶瓷材料發生化學反應或起到輔助作用而實現自潤滑。這些實現條件往往較為苛刻，不能滿足大眾應用場合的潤滑要求，且效果不太理想。

2、在一定條件下發生化學反應生成潤滑物質

有些自潤滑材料是利用材料的添加物之間在一定條件下相互反應或與空氣中的氧反應生成具有潤滑功能的物質，在摩擦表面拖敷成膜，達到潤滑目的。采用該方法獲得的材料可避免添加固體潤滑劑對材料機械性能的不利影響。由于該潤滑膜只有在材料表面高溫條件下通過摩擦化學反應才會產生，因此，這種自潤滑陶瓷材料在高溫摩擦下具有良好的自潤滑能力。

研究示例：研究人員吳芳對熱壓碳化硼表面自潤滑膜的生成做了研究。發現在實驗條件下，未經熱處理的碳化硼摩擦副的摩擦因數由起始階段的0.35-0.4，隨滑行距離的增加而減小至0.25左右。對摩擦前后接觸面進行X射線衍射分析，結果表明：接觸界面發生了摩擦化學反應，生成了把B₂O₃，H₃BO₃，由于H₃BO₃。具有層狀晶體結構，有潤滑性，這是使摩擦因數降低的主要原因。利用熱處理的方法，促使碳化硼表面生成氧化膜B₂O₃，在冷卻過程中B₂O₃自發地與空氣中的水蒸氣反應生成H₃BO₃自潤滑膜，可使摩擦因數進一步降低至0.08左右，且更加穩定。

3、在材料基體中直接添加固體潤滑劑

目前大部分自潤滑材料的自潤滑功能的實現是通過在材料基體添加一定數量的固體潤滑劑實現的，也是目前的各研究的熱點所在。

①常見的固體潤滑劑

常用的固體潤滑劑有石墨、六方氮化硼（hBN)、二硫化鉬（MoS₂）、石墨氟化物、氟化鈣（CaF₂）等。其中，hBN具有更好的高溫穩定性和潤滑性能。MoS₂在400℃、石墨在450℃左右氧化，而hBN在900℃時仍呈現出穩定狀態。雖然MoS₂、石墨與hBN雖有有類似的層狀結構，但前二者在摩擦作用下，結晶體易破碎，細碎的結晶微粒易與周圍氣體發生化學反應而變質，使潤滑性能變壞；而hBN硬度較高，摩擦過程中不易破碎，白色的hBN潤滑材料不會帶來類似石墨的污染。

圖：蘇州納樸六方氮化硼電鏡圖

CaF₂是一種很好的固體潤滑劑，具有層狀結構，在剪切力的作用下容易產生滑移。從500℃開始具體有潤滑性，可以使用到900℃而不會因氧化失效。CaF₂高溫下由脆性向塑性轉變且氟元素與摩擦表面發生化學反應而具有潤滑性。

②氧化鋁陶瓷材料的自潤滑特性研究

Al₂O₃為結構陶瓷中的典型材料，通常應用于承受載荷、腐蝕、高溫、絕緣等條件苛刻的環境中。它與hBN具有較好的物理和化學相容性。

研究示例：王芬等人制備了Al₂O₃/hBN自潤滑復合陶瓷材料并對其顯微結構進行分析得出結論：只有加入適量的hBN才能使Al₂O₃復合陶瓷材料同時具有良好的自潤滑性能和力學性能。當添加質量分數為10%時，hBN就能在基體材料中均勻彌散，在摩擦作用下被拖敷成膜并完全覆蓋摩擦表面，起到自潤滑作用。hBN膜剪切強度較低，不僅有利于降低陶瓷的摩擦因數，而且可以阻止陶瓷表面微凸體與偶件直接接觸，增大承載面積，避免應力集中，從而降低陶瓷材料磨損率。

③氮化硅陶瓷材料的自潤滑特性研究

氮化硅陶瓷的摩擦因數低，有優良的自潤滑能力，摩擦因數在0.02~0.35之間。并且強度高、韌性好，最高強度可達1700MPa。該材料的熱膨脹系數小，與SiC、鋯英石、莫來石相近；導熱性好，具有良好的抗震性，是優良的耐熱陶瓷。

研究示例：J.M.Carrapichano等研究了干摩擦條件下Si₃N₄/BN陶瓷復合材料銷盤自配副的摩擦學行為得出結論：將BN加入Si₃N₄陶瓷基體可使摩擦因數降低，從Si₃N₄陶瓷材料的0.82降低到添加10%BN的Si₃N₄/BN陶瓷材料的0.67。磨損率均小于10^-5mm³/(N·m)數量級，但當BN含量大于10%時急劇上升，如Si₃N₄/25%BN陶瓷材料磨損率達到10^-3mm³/(N·m)數量級。當盤試樣與滑動方向平行時，能獲得最小的摩擦因數值和磨損率值，主要磨損機理為沿晶裂紋擴展。但在其實驗條件下，并未獲得摩擦化學反應膜，原因可能是：試驗條件較溫和，不足以使陶瓷材料與周圍環境發生摩擦化學反應。

④氧化鋯陶瓷材料的自潤滑特性研究

ZrO₂陶瓷的高溫熱穩定性與隔熱性能最好，最適宜做陶瓷涂層和高溫耐磨材料。但缺點是摩擦因數太高，限制了它的應用，隨著對氧化鋯陶瓷材料研究的深入，其摩擦學研究顯得尤為必要，通過對添加固體潤滑劑的氧化鋯陶瓷材料的研究，使得將其應用為高溫摩擦材料成為可能。

研究示例：添加氟化物的ZrO₂基復合材料與偶聯材料相對滑動過程中，在高溫條件下，氟化物極大地改善了基體的摩擦學性能。這是因為氟化物CaF₂、BaF₂等受到摩擦擠壓和摩擦熱的作用下，被擠出表面，氟化物的剪切強度較低，在高溫環境下，固體潤滑劑氟化物受到摩擦擠壓會發生塑性變形，所以露出表面的固體潤滑劑氟化物受到摩擦擠壓會被拖覆至ZrO₂陶瓷表面；當大量的固體潤滑劑氟化物顆粒被拖覆時，就形成了一層穩定的潤滑膜。Kim S H等人研究了添加CaF₂、BaF₂對陶瓷基摩擦學性能的影響，CaF₂、BaF₂顯著地降低了陶瓷基復合材料的摩擦系數和磨損率，使陶瓷基復合材料在高溫狀態下達到了較好的摩擦學性能。