中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

仿生层状结构陶瓷材料由于其独特的力学性能和缺陷不敏感性，是极具应用前景和实用价值的结构陶瓷之一，但对其摩擦学性能特别是润滑技术的研究较少。本论文基于先进陶瓷材料的结构/功能一体化设计原则，在保证层状陶瓷材料优异的力学性能的同时，系统研究了结构与组分调控对层状陶瓷材料摩擦学性能的影响规律和机理。获得的主要结论如下：

1. 用铺层、热压烧结的方法制备了ZrO₂(3Y)-Al₂O₃/ZrO₂(3Y)层状复合陶瓷材料，通过向材料中引入空间梯度分布的润滑剂优化了层状材料的摩擦学性能。得到的ZrO₂(3Y)- Al₂O₃/ZrO₂(3Y)/SL层状-梯度结构自润滑复合材料在室温至800 °C温度范围内的摩擦系数较单层ZrO₂(3Y)陶瓷减小了近一半。同时，梯度结构设计能够有效减小陶瓷基自润滑复合材料中因润滑相的引入而导致的陶瓷材料力学性能的下降。

2. 以石墨为单质润滑剂，设计、制备了梯度层热膨胀系数呈连续变化的氧化锆基功能梯度材料。通过调节石墨在复合材料中的空间分布特征可实现对材料内残余应力大小的调节，进而实现材料力学性能的优化，其抗弯强度最大可达750 MPa。增大梯度层层数和承载层厚度均有利于梯度材料力学性能的提高。定义了梯度指数p，实验结果表明p为2.5时材料具有最佳的抗弯强度。

3. 对于具有优异力学性能的弱界面结合型Al₂O₃/Mo 层状复合材料，研究了层数和层厚比等结构参数对材料的高温摩擦学性能的影响。该材料的高温润滑性能是由金属钼在高温下被氧化形成具有低剪切强度的氧化钼，在摩擦过程中形成连续均匀的润滑和转移膜，因此，结构参数对材料高温摩擦学性能的影响主要取决于材料中金属钼在摩擦过程中的实际接触面积。通过建立模型发现，层状材料中钼的质量分数高于11 %即可为材料在高温下提供有效润滑。

4. 应用先进的激光表面加工技术，在Al₂O₃/Mo层状复合材料表面分别制备了微坑和条纹型织构。利用微织构具有增大摩擦表面接触压力、捕获磨屑、高温下促进润滑膜的形成等功能，进一步提高层状材料的摩擦学性能。室温下织构表面的摩擦系数最低可降至0.5，较未织构面降低了39 %；800 °C下织构化表面的摩擦系数最低可降至0.22，较未织构面降低了 55 %。织构化表面的摩擦系数随着织构密度的增大而减小。

5. 将织构图案作为固体润滑剂的贮存槽，在Al₂O₃/Mo层状复合材料的织构化表面擦涂了复配润滑剂，形成复合润滑结构。这种结构结合了固体润滑剂优异的减摩抗磨性能和微织构特殊的结构特征，有效改善了材料在室温、中温区域的摩擦学性能，实现了材料的宽温域连续润滑。复合Graphite/BaSO₄/CaF₂-BaF₂的表面在室温至800 °C温度范围内的摩擦系数均保持在0.45以下。