AlMgB14基陶瓷材料的制备及其摩擦学性能研究

LICP OpenIR

	AlMgB14基陶瓷材料的制备及其摩擦学性能研究
Alternative Title	无
	陈娇
Thesis Advisor	杨军
	2019-05-27
Degree Grantor	中国科学院大学
Place of Conferral	北京
Degree Name	工学博士
Department	固体润滑国家重点实验室
Degree Discipline	材料学
Keyword	AlMgB14 合成与制备摩擦学性能润滑机理高温摩擦学 Synthesis and preparation Tribological behavior Lubrication mechanism High temperature tribology
Abstract	AlMgB14陶瓷具有高硬度（32~35GPa）、低密度（2.6g/cm3）、高熔点（>2000°C）以及优异的化学惰性等特性，可用作刀具、钻头、磨具以及气缸、活塞等零部件。摩擦与磨损是决定零部件使役寿命和安全运行的关键要素。因此，开展AlMgB14基材料的设计、制备及摩擦学行为研究具有重要的理论意义和应用价值。然而，AlMB14材料的基础研究和应用研究均面临高纯AlMgB14粉体合成和大尺寸AlMgB14块体制备的技术难题。鉴于此，本论文基于高温固相合成方法，通过控制关键工艺合成了较高纯度AlMgB14粉体；采用SPS烧结方法制备了大尺寸AlMgB14块体材料，并研究了其在不同环境和条件下的摩擦学行为。获得的研究结果如下： 1.球磨工艺和烧结工艺对合成AlMgB14粉体的纯度和制备的块体尺寸起决定性作用。通过控制球磨工艺（球磨速度300~400rpm、球磨时间6~7h）和烧结工艺（高纯氩气气氛、烧结温度1300~1450°C和保温时间0.5~1.5h）制备了高纯AlMgB14粉体材料（含有约2.66wt.%的残余Al），解决了AlMgB14粉体制备过程中产生大量尖晶石氧化物的问题。另外，通过调控SPS烧结炉的烧结工艺（烧结温度、压力、保温时间），制备了高致密（高于99%）、大尺寸（≥30mm）的AlMgB14块体材料，其硬度和断裂韧性分别为30GPa和2.63MPa•m1/2。 2.在干滑动条件下，AlMgB14块体材料的摩擦学性能与配副材料密切相关。AlMgB14与硬度较高的Al2O3和Si3N4陶瓷球配副时，较高的赫兹接触应力引起AlMgB14摩擦表面发生严重的脆性断裂，导致较高的摩擦系数（0.50和0.85）和磨损率（10-4mm3/N•m）；而与硬度较低的316L钢球配副时，钢球的低硬度和高塑性有效降低了赫兹接触应力，表现为较低的摩擦系数（0.30~0.35）和磨损率（（1.3~1.5）×10-5mm3/N•m）。 3.AlMgB14块体材料在石蜡油和去离子水中均表现出优异的摩擦学性能。在液态石蜡油介质中，AlMgB14块体材料有良好的亲油性从而表现出优异的润滑性能，其摩擦系数低至0.06，磨损率在10-6mm3/N•m量级，润滑机理为：具有亲油性能的AlMgB14材料在摩擦表面易形成润滑油膜而降低摩擦和磨损。在去离子水介质中，AlMgB14块体材料与Al2O3和Si3N4陶瓷配副时表现出较低的摩擦系数（低至0.035）和AlMgB14块体较低的磨损率（10-6mm3/N•m），这归因于配副材料Al2O3和Si3N4与水发生了摩擦化学反应，分别在摩擦表面形成Al(OH)3胶体和mSiO₂•nH₂O胶体润滑膜。 4.AlMgB14块体材料在大气和真空中的摩擦学性能与温度有紧密的联系。中低温度下（室温至500°C），AlMgB14块体材料在大气和真空环境中均没有明显的润滑性，且磨损机制主要为韧性断裂，表现为较高的摩擦系数（大气中为0.70~0.85，真空中为0.50~0.85）和较高的磨损率（大气中为（2.05~3.24）×10-5mm3/N•m，真空为（0.78~26）×10-5mm3/N•m）。当温度高于700°C时，AlMgB14块体材料在大气和真空环境中均表现出极好的润滑性能，900°C时的摩擦系数可低至0.1，并且AlMgB14块体材料和对偶球几乎无磨损。然而，在两种高温环境中AlMgB14表现出不同的润滑机理：大气环境中，AlMgB14表层氧化形成的B2O3在高温下发生熔融并向摩擦表面迁移形成液态膜层而提供液态润滑；真空环境中，AlMgB14的（010）晶面处键能较弱，在高温下易发生剪切断裂，从而引起Al和Mg原子裸露于（010）晶面，进而在摩擦表面形成一层复合的纳米晶层，起到抗磨减摩作用。 5.通过复合化方法设计制备的AlMgB14-Si和AlMgB14-ZrB2耐磨复合材料有效改善了单一AlMgB14块体材料断裂韧性低和中低温耐磨损性能差的问题。韧性分别由原来的2.63MPa•m1/2分别提高至5.90MPa•m1/2和7.26MPa•m1/2，同时AlMgB14较差的室温及中低温摩擦学性能也得到有效改善，磨损率最高从2.40×10-4mm3/N•m降低至1.32×10-5mm3/N•m。
Other Abstract	无
Document Type	学位论文
Identifier	http://ir.licp.cn/handle/362003/25293
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	陈娇. AlMgB14基陶瓷材料的制备及其摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019.

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