KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 纤维独石结构自润滑复合陶瓷的设计及其摩擦学特性 | |
| Alternative Title | 无 |
苏云峰
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| Thesis Advisor | 胡丽天 ; 张永胜 |
| 2018-05-23 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 自润滑陶瓷复合材料 纤维独石结构 力学性能 摩擦学性能 润滑机理 Self-lubricating ceramic composites Fibrous monolithic structure Mechanical properties Tribological properties Lubrication mechanism |
| Abstract | 陶瓷基自润滑复合材料因其具有优异的耐腐蚀、耐高温、抗磨损等性能，作为制造特殊环境用滑动部件具有广泛的应用前景和价值。然而，由于陶瓷本身的脆性和摩擦学设计带来的力学性能下降限制了其在高端装备制造领域的实际应用。本论文基于先进陶瓷材料的结构/功能一体化设计原则，在探明固体润滑剂和基体相对自润滑复合陶瓷性能影响规律的基础上，通过仿竹木结构和表面工程设计，实现了自润滑复合陶瓷的性能和可靠性提升，并系统研究了宏微观结构与组分对纤维独石结构自润滑复合陶瓷力学性能和摩擦学性能的影响规律和机理。获得的主要结论如下： 1.采用粉末冶金方法制备了系列具有不同组分的自润滑复合陶瓷和铜-石墨自润滑复合材料，考察了固体润滑剂和基体相种类与含量对材料性能的影响规律，确定了控制材料力学性能和摩擦学性能的关键因素，提出了自润滑复合陶瓷的减摩抗磨机制及优化设计准则。 2.基于仿竹木结构设计理念和挤制-叠层成型工艺，实现了Al2O3/MoS2和Al2O3/Mo两种纤维独石结构陶瓷的精准设计与可控制备。通过该独特的微观结构引入外部增韧机制实现了材料的强韧化，Al2O3/Mo纤维独石结构陶瓷的断裂韧性和断裂功分别可高达8.33MPa⋅m1/2和3883J⋅m-2，是单相Al2O3陶瓷的1.9倍和30倍。利用类似连续相形式分布且具有润滑作用的胞界面层，大幅提升了材料的自润滑性能，Al2O3/MoS2和Al2O3/Mo两种纤维独石结构陶瓷与氮化硅球和氧化铝栓组成的摩擦副在高真空（小于5.0×10−5mbar）和高温（800°C）条件下的摩擦系数分别可低至0.15和0.30。 3.利用新型表面工程技术在Al2O3/Mo纤维独石结构陶瓷表面形成了分别以BaSO4和MoS2为润滑剂的两种复合润滑结构，实现了材料从室温至800°C和高真空环境中的有效润滑。BaSO4复合层与Al2O3陶瓷栓组成的摩擦副在室温至800°C温度区间内摩擦系数较原始Al2O3/Mo表面可降低36%~66%，MoS2复合层在真空条件下与GCr15轴承钢对摩时的摩擦系数低至0.04，且对载荷、速度等条件有较宽范围的适应性。尤其是该种材料较低的密度，使它作为特殊环境用轻质高强滑动部件具有良好的应用前景。 4.以纳米Al2O3多晶纤维为胞体材料，微米Al2O3为胞界面材料，成功制备了单一组分、复杂结构的仿生耐磨高可靠Al2O3/Al2O3纤维独石结构陶瓷，实现了Al2O3陶瓷的自增韧。该材料与C/C复合材料组成的摩擦副在室温和800°C及温度交变环境下具有优异的自润滑性能，摩擦系数可低至0.30左右。 5.发展了一种新的制备纳米复合自润滑陶瓷的成型工艺，通过水热反应在微孔Al2O3陶瓷基体中原位合成了二维层状MoS2纳米片，成功制备了在高真空环境下具有优异自润滑性能的Al2O3-MoS2复合陶瓷，其摩擦系数和磨损率可降低至0.19和1.7×10−6mm3⋅N−1m−1。该工艺有效避免了固体润滑剂在烧结过程中的氧化、分解和挥发等，为制备高性能自润滑复合陶瓷提供了新思路。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25247 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 苏云峰. 纤维独石结构自润滑复合陶瓷的设计及其摩擦学特性[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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