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

    高技术陶瓷被认为是解决高温、腐蚀等苛刻环境下润滑与密封问题最具价值的工程材料。然而，由于其本征脆性和表面磨损等问题限制了其在高技术领域的广泛应用和产业化进程。本论文通过仿生结构设计、宏微观结构调控与表面三维复合润滑层的构筑，设计制备了可在海水等腐蚀环境下服役的氧化铝陶瓷复合材料。研究了宏微观结构对复合材料（表面复合润滑层）性能的影响规律，并初步探索了复合材料（表面复合润滑层）在不同环境下的动/静态退化过程与机制。获得的主要研究结果如下：

    1.应用先进的激光织构技术，在氧化铝基纳米复合材料表面制备了尺寸可控、规则排列的微坑织构化图案。利用微织构具有捕获磨屑防止磨粒磨损和储存润滑剂促进润滑膜的形成等作用，显著改善了复合材料表面的摩擦学性能。在干摩擦条件下，材料表面的摩擦系数随织构密度的增大明显降低，当织构密度为34 ºº时，较未织构面降低了约40%；水环境中，复合材料表面的摩擦系数可降低至0.40左右。

    2.仿照贝壳珍珠层微结构设计原理，采用热压烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的Al₂O₃/Ni层状复合材料。基于结构参数和过渡界面组分与微结构的调控可优化Al₂O₃/Ni层状复合材料的界面结合特性和裂纹扩展方式，实现材料性能的进一步提升。基于优化设计的Al₂O₃/Ni层状复合材料的弯曲强度、断裂韧性和断裂功分别可达549 MPa、15.7 MPa•m^1/2和2936 J•m^-2，是单层Al₂O₃陶瓷的1.1倍、3.3倍和29.9倍。

    3.针对具有优异力学性能的Al₂O₃/Ni层状复合材料，采用激光表面织构技术和磁控溅射硬质DLC薄膜相结合的方法实现了陶瓷表面复合润滑结构的设计与制备。规则微坑织构、DLC薄膜和去离子水等三方面的协同效应显著提高了陶瓷表面的摩擦学性能。微坑织构密度对复合润滑层的摩擦磨损性能具有重要的影响，基于织构密度优化设计的DLC薄膜在水环境下呈现出了极低的摩擦系数，与不锈钢栓对摩时的摩擦系数可低至0.06左右，相比陶瓷光滑表面（0.51）降低约一个数量级。

    4.将陶瓷表面微坑织构与软质MoS₂和PTFE粘结润滑涂层相结合，在Al₂O₃/Ni层状复合材料表面设计、制备出了软质三维复合润滑层结构。这种复合润滑结构结合了固体润滑剂优异的摩擦学性能和微织构特殊的“机械互锁功能”与“二次补偿”润滑作用，实现了陶瓷表面的长寿命润滑。两种复合润滑层在水环境中与不锈钢栓对摩时的摩擦系数均可降低至0.08，且PTFE复合层的磨损寿命与未织构表面涂层相比提高了3.9倍。

     5.对于PTFE复合润滑层，研究了织构图案种类及几何参数对其表面疏水性能的影响。织构图案种类和织构参数对复合层表面疏水性能具有重要的影响，相对而言，小孔径高密度微坑形貌具有更好的表面疏水性能。激光作用可以引起PTFE涂层去氟效应和含氧基团的引入，从而显著提高复合层的表面硬度及其与基体的结合强度。基于“双层”织构（基底表面微坑织构和复合层表面微织构）优化设计的PTFE复合层兼具优异的超疏水性能和超耐磨性能，与未织构光滑表面涂层相比其接触角和磨损寿命分别可提高2.0倍和5.0倍。

    6.针对具有优异性能的Al₂O₃/Ni层状复合材料与表面复合润滑层，研究了其在不同环境下的静态（纯水、人工海水和80 ℃热水环境长时间浸泡）和动态（水环境摩擦实验）退化过程以及性能变化规律。层状复合材料在纯水、海水和热水静态环境中都表现出很好的力学性能保持率，可达到78%～90%。而表面复合润滑层仅有PTFE表现出较为优异的环境适应性，涂层结构完整、与基底结合良好。在水环境动态摩擦过程中，层状复合材料的韧性和断裂功具有较高的性能保持率，而弯曲强度下降较为明显，这主要与摩擦产生的表面微裂纹以及水分子吸附对裂纹扩展的促进作用有关。