固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

    三元层状MAX相陶瓷兼具了金属和陶瓷的优良特性，在诸多领域有着潜在的应用。本论文以一种典型的MAX相陶瓷——Ti₃AlC₂陶瓷为对象，系统研究了Ti₃AlC₂陶瓷及两种相关复合材料的组织结构、力学性能和摩擦学性能，并对其相关的摩擦学机制进行了深入的探讨。本论文取得的主要成果和结论如下：

    1.以Ti、Al和石墨粉为原料，通过热压烧结的方法制备了高纯Ti₃AlC₂陶瓷，其维氏硬度、压缩强度和弯曲强度分别为3.6 GPa、610 MPa和430 MPa。研究表明：从室温到1000 ℃，Ti₃AlC₂陶瓷自身的层状结构并不能够依靠层移而提供润滑性能。在大气环境中，Ti₃AlC₂陶瓷摩擦表面在不同温度下均能形成不同程度的摩擦氧化膜，能够起到一定的抗磨减摩作用；在氩气环境中，Ti₃AlC₂陶瓷在整个温度变化范围内均表现出非常差的摩擦学特性，其主要磨损机制为二体机械磨损、三体磨粒磨损和黏着磨损。

    2.Ti₃AlC₂陶瓷在模拟海水环境下具有良好的耐腐蚀性能，主要表现为局部点蚀。在模拟海水环境下，当Ti₃AlC₂陶瓷与AISI316L不锈钢、Si₃N₄和Al₂O₃配副时，Ti₃AlC₂陶瓷表现出较差的摩擦学行为，主要磨损机制为二体机械磨损。当Ti₃AlC₂陶瓷与SiC配副时，摩擦过程中在Ti₃AlC₂陶瓷摩擦表面能够形成易剪切的摩擦氧化膜，可以提供优异的润滑性能；随着滑动速率的增加，Ti₃AlC₂陶瓷的摩擦系数可低至0.05，其主要磨损机制为摩擦化学磨损。基于Ti₃AlC₂陶瓷良好的耐腐蚀性，Ti₃AlC₂/SiC摩擦副有望用于海洋摩擦材料领域。

    3.采用TiC-Ti-Al体系通过无压烧结方法制备了高纯Ti₃AlC₂陶瓷粉体，且Ti₃AlC₂陶瓷颗粒具有自催化活性，可直接通过化学镀法对其实施Cu包覆处理。采用Cu包覆Ti₃AlC₂陶瓷颗粒作为Al基体增强相时，Cu包覆层能够与Al基体反应生成Al2Cu反应层，能够有效的起到桥连Ti₃AlC₂颗粒和Al基体的作用。与Al-Ti₃AlC₂复合材料相比，Al-Cu/Ti₃AlC₂复合材料的力学性能和摩擦学性能更加优异，这主要归结于Al₂Cu桥连层的界面增强作用，能够起到有效的钉扎效应，使力学性能明显改善；同时也能够有效的抑制摩擦过程中的二体机械磨损，减缓黏着效应，明显改善了复合材料的摩擦学性能，其磨损机制主要为疲劳磨损和摩擦氧化磨损。

     4.通过热压烧结Ti₃AlC₂与SnO₂的混合粉体可以成功制备Ti₃SnC₂陶瓷或Ti₃Al_xSn_1-xC₂固溶体。在烧结过程中，Al原子能够脱嵌出层状Ti₃C₂结构与SnO₂反应生成Sn和Al₂O₃，且Sn原子能够取代Al原子嵌入层状Ti₃C₂结构生成Ti₃SnC₂或Ti₃Al_xSn_1-xC₂固溶体。研究表明：与Ti₃AlC₂陶瓷相比，通过SnO₂掺杂所制备Ti₃Al_xSn_1-xC₂/Al₂O₃复合材料的力学性能和摩擦学性能均有明显的改善；其中，当SnO₂的掺杂含量为20wt.%时，产物中Ti₃Al_xSn_1-xC₂固溶体和Al₂O₃能够起到最优的协同增强效应，虽然复合材料的摩擦系数变化不大，但其抗磨损性能明显增强。