氮化硅陶瓷表面非常光潔，摩擦系數(shù)較小，摩擦系數(shù)隨著溫度和速度的變化不大，因此能保證機(jī)械器件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是氮化硅材料的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。氮化硅陶瓷開(kāi)始相對(duì)磨動(dòng)時(shí)其滑動(dòng)摩擦系數(shù)達(dá)到1.0至1.6，經(jīng)精密磨合后，摩擦系數(shù)就大大下降，保持在0.5以下。

氮化硅材料的潤(rùn)滑性很好，由于其摩擦系數(shù)的特點(diǎn)，所以在一定程度上，氮化硅材料能自潤(rùn)滑。其產(chǎn)生的原因主要是相對(duì)的滑動(dòng)或者是壓力下，摩擦的表面物質(zhì)能產(chǎn)生薄膜，這種薄膜為氣相，大大的降低了摩擦阻力，增強(qiáng)其潤(rùn)滑性能。這種自增潤(rùn)滑的性能與石墨、滑石的潤(rùn)滑機(jī)理不同，大多數(shù)材料摩擦?xí)r間越長(zhǎng)，摩擦系數(shù)大幅增長(zhǎng)，氮化硅卻不一樣，它的摩擦阻力是隨著時(shí)間的加長(zhǎng)而減小，在這一點(diǎn)上，氮化硅具有其他材料不可比擬的性能。

氮化硅陶瓷在不良的潤(rùn)滑工況條件下（如貧油潤(rùn)滑、無(wú)油干摩擦等），可以有效避免設(shè)備突發(fā)故障造成的損失。

圖 熱壓成型的氮化硅球工作了十年后 “變得圓滑了”

影響氮化硅陶瓷摩擦磨損性能的因素居多，部分相關(guān)研究如下：

不同的制品氣孔率

蘭州大學(xué)李波等研究了反應(yīng)燒結(jié)和常壓燒結(jié)兩種氮化硅制品的摩擦磨損特性，其中反應(yīng)燒結(jié)氮化硅氣孔率22.7%，常壓燒結(jié)氮化硅氣孔率1.7%，反應(yīng)燒結(jié)氮化硅氣孔多更易發(fā)生表面化學(xué)變化，常壓燒結(jié)氮化硅力學(xué)性能顯然優(yōu)于反應(yīng)燒結(jié)，而磨損性能與材料整體力學(xué)性能有關(guān)，因此常壓燒結(jié)氮化硅的耐磨性更好，研究表明，制品的氣孔率會(huì)影響氮化硅的摩擦磨損性能。

添加不同稀土氧化物

Hideki Hyuga等研究了添加不同稀土氧化物（Y₂O₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃）的熱壓燒結(jié)氮化硅在干摩擦條件下的磨損性能，實(shí)驗(yàn)表明低載荷下，較小陽(yáng)離子半徑添加物（Lu³⁺、Yb³⁺）能導(dǎo)致更強(qiáng)的晶界連接強(qiáng)度和更高的耐溫性，導(dǎo)致耐磨性更強(qiáng)；在高載荷下，磨損以脆性斷裂為主，Lu₂O₃的添加能導(dǎo)致更強(qiáng)的晶界連接和更高程度的脆性破壞，進(jìn)而導(dǎo)致磨損率增加。

配對(duì)摩擦副材料

J M Carrapichano研究了不同氮化硅不同配對(duì)副下的摩擦磨損性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表：

表 一定壓力和轉(zhuǎn)速下制品的摩擦、磨損系數(shù)

雖然Si₃N₄/WC摩擦副具有較小的摩擦系數(shù)（0.03），但WC硬質(zhì)合金有兩個(gè)缺點(diǎn)：密度大和不耐酸腐蝕，在航空航天領(lǐng)域、核電領(lǐng)域密封的主要摩擦副材料是Si₃N₄/Si₃N₄。

與環(huán)境介質(zhì)的關(guān)系

魏建軍研究了氮化硅在水和乙醇中的摩擦磨損性能，研究表明，Si₃N₄的摩擦系數(shù)和磨損體積隨潤(rùn)滑環(huán)境的不同有如下順序：干摩擦>水潤(rùn)滑>乙醇潤(rùn)滑；宋寶玉研究了不同濕度氣氛中氮化硅陶瓷的摩擦性能，研究表明，對(duì)于空氣、氮?dú)夂蜌鍤?種氣氛，干燥時(shí)氮化硅陶瓷的摩擦系數(shù)小而磨損量大，加濕時(shí)摩擦系數(shù)大而磨損小。

與溫度和載荷的關(guān)系

溫度和載荷是對(duì)陶瓷摩擦磨損性能影響最大的外部因素，不同的實(shí)驗(yàn)方式及不同的載荷階段，磨損率隨載荷增加的程度通常也不同。Dong等繪制了氮化硅在不同溫度和載荷下的摩擦磨損特性：

圖 Si₃N₄在不同溫度和載荷下的摩擦磨損特性

由圖可以看到5個(gè)區(qū)和1個(gè)過(guò)渡區(qū)，結(jié)合相關(guān)測(cè)試表明，每個(gè)區(qū)的摩擦、磨損系數(shù)和控制機(jī)理都不一樣。

影響陶瓷材料摩擦磨損性能的因素較多，目前大多直接建立“環(huán)境-摩擦磨損性能”或“性能-摩擦磨損性能”研究，但實(shí)際過(guò)程中，環(huán)境和性能往往同時(shí)影響著摩擦磨損性能。

氮化硅陶瓷在高精尖領(lǐng)域的軸承、密封等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其摩擦磨損性能成為研究熱點(diǎn)之一，隨著氮化硅研究面的鋪展和摩擦磨損研究的深入進(jìn)行，定將會(huì)給工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來(lái)更多的指導(dǎo)與幫助。

參考資料：

[1].汪彩芬，徐俊，白彬等.氮化硅陶瓷摩擦磨損性能研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2013；

[2].王朔.Si₃N₄/SiC復(fù)合陶瓷材料的制備與性能研究[D].武漢科技大學(xué)，2012

粉體圈曦析 整理