兩個相互接觸的物體沿著接觸面的切線方向運動或有相對運動的趨勢時，接觸面之間就會發(fā)生“摩擦”。摩擦作為伴隨運動的一種物理現(xiàn)象，在我們的生活及生產(chǎn)中如影隨形，可以毫不夸張的說沒有摩擦人類將“寸步難行”。但正很多工業(yè)應(yīng)用場合摩擦有害，因摩擦的存在會導(dǎo)致物體接觸表面的磨損，嚴(yán)重的磨損會使得正常工作的運動機(jī)構(gòu)失效，為了更好的控制摩擦，讓摩擦這一物理現(xiàn)象乖乖的服務(wù)于應(yīng)用，我們需要更懂它。

氮化硅基陶瓷刀具&氧化鋁基陶瓷刀具

陶瓷材料因具有高硬度、高強(qiáng)度、良好的耐磨性以及抗氧化性而被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、航空、化學(xué)等工業(yè)以及空間技術(shù)、新能源開發(fā)等新型產(chǎn)業(yè)。陶瓷材料在不同環(huán)境下表現(xiàn)出來的摩擦磨損性能對其能否良好地服役至關(guān)重要。諸多學(xué)者已在陶瓷摩擦學(xué)方面做了大量的研究工作，并發(fā)現(xiàn)影響陶瓷材料摩擦磨損性能的因素很多，如陶瓷材料的斷裂韌度、試驗時的載荷、滑動速度、試驗持續(xù)時間、潤滑條件以及環(huán)境溫度和濕度等，本文將對溫度及濕度對陶瓷摩擦學(xué)行為的影響做簡單整理。

一、室溫下的各種陶瓷的干摩擦

室溫干摩擦條件下，陶瓷材料在配副摩擦的過程中，一般表現(xiàn)出較高的摩擦因數(shù)和磨損率（指被磨試樣的體積與磨擦功的比值，即單位摩擦功所磨試樣的體積，反映了材料的耐磨性能，與磨損量相關(guān)）研究認(rèn)為，陶瓷／陶瓷配副的摩擦因數(shù)一般大于0.5，磨損率一般高于10^-6mm³／（Ｎ·ｍ），而金屬在相同條件下摩擦因數(shù)相對較低，如在室溫下鑄鐵自配副干摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)為0.18，相同條件下鋼和鑄鐵配副時的摩擦因數(shù)為0.2。對于陶瓷自配副時的高摩擦因數(shù)現(xiàn)象，究其原因，主要是陶瓷摩擦?xí)r所發(fā)生的斷裂、疲勞和剝落等導(dǎo)致的高摩擦因數(shù)和磨損率。當(dāng)然陶瓷材料在室溫干摩擦條件下的摩擦學(xué)性能依陶瓷類型各有不同。

1、氮化硅陶瓷

非氧化物陶瓷中目前應(yīng)用最為廣泛的是Si₃N₄基陶瓷（含Si₃N₄）。室溫下不同摩擦副下，氮化硅磨損結(jié)果有所不同。

例如，研究人員采用Si₃N₄/SiC配副時發(fā)現(xiàn)，由于高硬度的SiC對Si₃N₄表面產(chǎn)生切削和犁溝現(xiàn)象，從而表現(xiàn)出較高的摩擦因數(shù)。Si₃N₄材料的磨損也比較嚴(yán)重，且低斷裂韌性的SiC容易出現(xiàn)脆性剝離，磨損體積損失比較大。而采用，在Si₃N₄/Al₂O₃配副時，Si₃N₄的硬度和斷裂韌性均比Al₂O₃的高，而Si₃N₄的摩擦氧化反應(yīng)使磨損面上形成的氧化物膜對Al₂O₃磨屑有較強(qiáng)的吸附力，并形成Al₂O₃磨屑吸附層，以致表現(xiàn)出低的摩擦因數(shù)。而當(dāng)Si₃N₄基陶瓷自己配副時，有一種研究結(jié)果是擦面上會由于應(yīng)力集中

而產(chǎn)生微裂紋，不利于摩擦，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.3。

2、碳化硅陶瓷

非氧化物陶瓷中SiC陶瓷也是一種常見的陶瓷材料，其硬度高，僅次于金剛石、立方BN等少數(shù)物質(zhì)。由于SiC陶瓷摩擦學(xué)性能對環(huán)境因素（溫度、濕度等）更為敏感，空氣中的水汽在摩擦表面產(chǎn)生吸附層，吸附層在摩擦?xí)r降低了摩擦因數(shù)，有研究表明室溫下碳化硅表面的主要磨損機(jī)理為斷裂和犁削磨損。

3、氧化鋁陶瓷

Al₂O₃陶瓷是在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種陶瓷。Al₂O₃陶瓷自配副時，載荷和滑動速度為摩擦磨損性能的主要影響因素。Al₂O₃陶瓷在與不同金屬配副時，其摩擦磨損性能的表現(xiàn)大相徑庭。有研究發(fā)現(xiàn)，Al₂O₃與鋼配副時的磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其與鈦合金配副時的磨損量，結(jié)果相差３個數(shù)量級，說明與鈦合金配副時其耐磨性表現(xiàn)極差。Al₂O₃／鋼配副時，陶瓷表面形成鋼的轉(zhuǎn)移膜，使得Al₂O₃與鋼的摩擦轉(zhuǎn)化為鋼與鋼的摩擦，從而降低了Al₂O₃的磨損量。

4、氧化鋯陶瓷

在氧化物陶瓷中ZrO₂由于突出的綜合力學(xué)性能，也正在成為廣泛使用的氧化物陶瓷之一。根據(jù)黃傳真等對ZYA30（70%3Y-TZP和30%Al₂O₃）和ZYW35（65%3Y-TZP和35%（W，Ti）C）兩種材料進(jìn)行摩擦學(xué)性能試驗，發(fā)現(xiàn)在相同磨損條件下ZYA30的耐磨性能比ZYW35好。兩種材料的磨損機(jī)理基本相同，低載荷下主要是塑性變形和粘著磨損，較高載荷下主要是塑性變形和分層剝落。

總體來說，在室溫干摩擦條件下，大多數(shù)陶瓷沒有較好的摩擦學(xué)表現(xiàn)。陶瓷與陶瓷摩擦?xí)r，由于脆性都比較大，其磨損機(jī)理多表現(xiàn)為斷裂、疲勞和磨粒磨損；而陶瓷在與金屬對磨時，金屬的硬度較陶瓷低得多，陶瓷容易對金屬造成切削，磨損機(jī)理多為粘著磨損。

二、溫度對陶瓷摩擦的影響

材料的摩擦磨損性能是一個綜合性能的表現(xiàn)，受眾多因素影響，其中溫度對摩擦磨損性能的影響最為明顯。但是目前溫度對材料的摩擦磨損性能的影響還沒有形成一個統(tǒng)一的共識。主要有兩點：①溫度的變化會影響摩擦面表面膜和吸附層的形成，而表面膜和吸附層則會對陶瓷材料的摩擦磨損性能產(chǎn)生影響；②摩擦過程中，溫度會改變摩擦表面層物相組織和晶粒的結(jié)構(gòu)，從而影響陶瓷材料的摩擦磨損性能。

Labruquere等解析了高溫時陶瓷材料的摩擦學(xué)性能。高溫會促使摩擦面的摩擦化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)最終會生成致密氧化層還是直接發(fā)生氧化腐蝕，尚待進(jìn)一步的研究和完善。

盡管如此，陶瓷材料在高溫條件下的摩擦多有利于生成氧化膜或形成磨屑層，磨損機(jī)制從以磨粒磨損為主轉(zhuǎn)變成以化學(xué)磨損為主，從而改善陶瓷材料的摩擦磨損性能。在這種情況下，陶瓷材料的高溫自潤滑特性已日益引起學(xué)者的關(guān)注，相關(guān)研究已經(jīng)大幅度地展開，并發(fā)現(xiàn)SiC、Al₂O₃、ZrO₂、WC等陶瓷材料均有可能在高溫下發(fā)生自潤滑現(xiàn)象，這就為促進(jìn)陶瓷材料在高溫工況下的推廣應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

耐磨耐高溫氧化鋁陶瓷襯板

三、濕度對陶瓷摩擦的影響

陶瓷材料的摩擦學(xué)行為對水分子的存在十分敏感，而一般情況下，陶瓷材料在使用過程中不可避免地與水汽或者水接觸，而因此了解濕度對陶瓷摩擦性能的影響是非常重要的。研究表明濕度對陶瓷材料的摩擦磨損性能影響究其原因是摩擦化學(xué)反應(yīng)的作用,而反應(yīng)表面膜的吸附、潤滑或者是抗剪性能均會對陶瓷摩擦學(xué)性能產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。外部環(huán)境的濕度情況對陶瓷材料的摩擦磨損性能影響較大，而濕度因素對不同的陶瓷材料摩擦學(xué)性能的影響機(jī)制也不盡相同，其體現(xiàn)出來的研究結(jié)果亦存在差別。

1、對氧化物陶瓷的影響

對于氧化物陶瓷而言，濕度對其摩擦學(xué)性能的影響會導(dǎo)致兩種結(jié)果：1、濕度增加使陶瓷材料出現(xiàn)靜態(tài)疲勞現(xiàn)象，陶瓷表層位錯活動能力增加，表面塑性增大，會使磨損加?。?、濕度增加利于陶瓷與空氣中的水蒸氣和氧氣發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成氧化膜，改善摩擦磨損性能。

以氧化鋁陶瓷為例：有報導(dǎo)稱，Al₂O₃陶瓷的摩擦因數(shù)和磨損率都會隨著濕度的增大而增大，這是因為裂紋尖端的金屬離子與氧化物離子的結(jié)合鍵受到水分侵蝕之后，裂紋擴(kuò)展速度加快，導(dǎo)致磨損率增大。但是也有學(xué)者認(rèn)為Al₂O₃在潮濕的環(huán)境下摩擦面將生成氫氧化鋁膜，對摩擦起改善作用，這主要取決于試驗條件和Al₂O₃表面的粗糙程度。

2、對非氧化物陶瓷的影響

對于非氧化陶瓷，濕度對其摩擦學(xué)性能的影響一般是有利的。非氧化物陶瓷暴露在潮濕的空氣中可以生成氫氧化物表層，而表層膜會改善陶瓷的摩擦磨損性能。

以氮化硅陶瓷為例：在摩擦過程中，Si₃N₄陶瓷與大氣環(huán)境下的O₂、H₂O發(fā)生的摩擦化學(xué)反應(yīng)（Si₃N₄+3O₂→3SiO₂+２N₂，Si₃N₄+H₂O→3SiO₂+2NH₃，Si₃N₄+H₂O→SN_XO_Y）產(chǎn)生的氧化膜以及氫氧化膜是降低摩擦磨損的主要原因。有研究顯示在加濕的氣體中Si₃N₄的磨損量比干燥氣體中小。因為水蒸汽以化學(xué)吸附的形式附著在摩擦表面，形成一層吸附膜，這層膜起到潤滑劑的作用，所以磨損量較小。而對于干燥氣體，因為沒有吸附膜的作用，所以磨損量較大一些。

超耐磨的氮化硅研磨介質(zhì)

參考資料：

1、陶瓷在不同溫度濕度下摩擦磨損性能研究現(xiàn)狀；陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；陳威，呂政琳，高東強(qiáng)，艾旭等著。

編輯：Alpha