（机械制造及其自动化专业论文）高温超导材料yba2cu3o7摩擦学特性研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业的发展，特别是航空工业、空间技术的发展，它们的许多工况 条件已经超越了润滑油、润滑脂的使用极限，这促使人们去寻找新的润滑材料。 固体润滑材料能满足高负荷、高真空、高，低温、强辐射和强腐蚀等特殊工况下对 润滑的要求，能适应复杂的工作环境，为机械设备实现大型化、微型化、高速、 重载和自动控制等创造了有利条件。 在航空航天器件中，由于太空温度变化大，要求很多部件要适用从几百度的 高温到液氮冷却温度以下都能正常工作，而目前低温特性最好的润滑油也只能在 7 0 前后使用，在更低温度下因润滑油固化而丧失润滑能力。如果采用常规的固 体润滑材料，低温下由于润滑膜变脆和低温介质的浸入使润滑膜易于产生裂纹， 且润滑膜在破裂后不具有自修复的能力，因此有必要研究材料在低温下的摩擦机 理，开发新型的适应从低温到高温较宽的工作温度的固体润滑材料。 y b a 2 c u a o ，属于氧化物，和固体润滑材料w s 2 、m o s 2 、石墨等相类似，都具 有层状结构，有较大的c a 比，使得其在高温时表现出良好的固体润滑性能。最近 的研究发现，对p b ，a g 等一些纯金属材料，当温度达到其超导转变温度( t o = 7 2 k ， 液氦) 时摩擦力将大幅降低，从摩擦产生的微观机理上看，摩擦来源于声子和电 子的贡献，在超导态下，材料的电阻为零，表面没有电荷堆积，电子对摩擦的贡 献降低，对应了摩擦系数大幅降低。从实用角度考虑，对于y b a 2 c u 3 0 ， b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 1 0 等高温超导材料( t c 7 7 k ) ，可以在液氮温度下实现超导，而液氮 是制氧的副产品，和液氦相比用液氮实现超导，能大幅降低成本。且前国内外对 y b a e c u 3 0 7 等高温超导材料的低温摩擦学性能研究很少，如果在超导态下也能像 p b 等纯金属一样摩擦大幅降低，则它有可能在从高温到低温的宽阔温度范围内成 为优良的摩擦材料。 基于以上的想法，本课题对高温超导材料y b a 2 c u 3 0 ，的常温和低温下的摩擦 学特性进行了探索性研究。 首先，在常温大气环境下研究了y b a z c u 3 0 7 及c u 基固体润滑复合材料的摩擦 学特性并进行了比较，结果表明，对于c u 基固体润滑复合材料来说，固体润滑剂 江苏大学硕士学位论文 含量不足使摩擦系数增大，含量过高将导致磨损增大，其中样品4 0 6 0 c u ( 含w s 2 4 0 、c u s n6 0 ) 在实验中表现出o 2 左右的摩擦系数和7 x1 0 6 m m z n 的磨损 率。而对y b a 2 c u 3 0 7 试样来说，其摩擦系数和4 0 6 0 c u 相似，而磨损率却只有其 1 2 。x r d 及t e m 的检测结果表明：y b a 2 c u 3 0 t 结构中的c u o 层结合较弱，在剪 切应力的作用下易滑移，对外表现出较低的摩擦；在基体中分布的y 2 0 3 颗粒阻碍 位错滑移，从而强化基体，使其耐磨性能得以大幅提高。用粉末熔化法制备的样 品中y 2 0 3 颗粒更细小、弥散、耐磨性有也更好。 其次，对材料低温下的摩擦学性能进行了探索性研究，利用和q c m ( 石英晶 体微天平) 原理类似的内耗仪分析高温超导材料的摩擦学性能变化，并利用内耗 仪对高温超导材料y b a 2 c u 3 0 7 及b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 l o 的摩擦学性能进行了初步的探讨 和试验。内耗试验表明：对纯y b a 2 c u 3 0 7 及b i 2 s r e c a = c u 3 0 l o 内耗样品，其在超导 转变温度处并无内耗峰存在；当在y b a 2 c u 3 0 7 及b i 2 s r = c a 2 c u 3 0 l o 内耗样品表面镀 上一层a u 膜后超导转变温度处存在内耗峰。分析可知：在超导转变温度处，它们 和a u 膜间的界面摩擦力会发生降低。但目前只能是定性研究，要定量的研究摩擦 力大小还需进一步探讨。 关键词：高温超导材料，y b c o ，固体润滑膜，摩擦学性能，内耗，q c m 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , e s p e c i a l l ya v i a t i o ni n d u s t r ya n ds p a c e t e c h n o l o g y , t h e r ea r em a n yo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw h i c hh a v ee x c e e d e dt h eu s a g el i m i t s o fl u b r i c a t i n go i la n dg r e a s e t h i sm a k ep e o p l eh a v et os e e kn e wl u b r i c a t i n gm a t e r i a l s s o l i dl u b r i c a n tc a nm e e tt h es p e c i a ln e e d so fh i g l ll o a d ，h i 曲v a c u u m , h i g h l o w t e m p e r a t u r e ，i n t e n s e r a d i a t i o na n dh e a v ec o r r o s i o n , w h i c hc r e a t e sa d v a n t a g ef o r m e c h a n i ce q u i p m e n tt or e a l i z em a c r o - s c a l eo p e r a t i o n s ，m i c r o m a t i o n , h i g h s p e e d ， o v e r l o a d i n ga n da u t o c o n t r 0 1 f o ra v i a t i o na n da e r o s p a c ed e v i c e s ，t h e r ea r em a n yp a r t sw o r k i n g 砒l o w t e m p e r a t u r e ，w h i c hi sl o w e rt h a nt h es u p e r c o n d u c t o rt e m p e r a t u r e ( t c ) o fy b a z c u 3 0 7 a n db i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 1 0 h o w e v e r , l u b r i c a t i n go i lw i t l lt h eb e s tl o wt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i cd o e sw o r ka ta b o v e2 0 0 k , a n dt h e yw i l ls o l i d i f ya n dl o s ei t sl u b r i c a t i n g c a p a c i t yi n al o w e rt e m p e r a t u r e f o rt h ec o n v e n t i o n a ls o l i dl u b r i c a n t s ，t h ef o r m e d l u b r i c a n tf i l mi sb r i t t l e n e s si nl o wt e m p e r a t u r ea n dc r y o g e n i cm e d i u mc a l li m m e r g e s i n t oi te a s i l y , b o t ho f t h e s el e a dt ol u b r i c a n t sc r a c k , w h a t sm o r ei tc a l l ts e l f - r e p a i r s o i t se s s e n t i a lt oi n v e s t i g a t em a t e r i a l st r i b o l o g ym e c h a n i s mi nl o wt e m p e r a t u r ea n d d e v e l o p n e ws o l i d l u b r i c a t i n g m a t e r i a l sw i t hw i d e rs e r v i c e t e m p e r a t u r ef r o m m i e r o t h e r mt om a c r o t h e r m y b a 2 c u 3 0 7b e l o n g st oo x i d a n t ，h a ss a n d w i c hs t r u c t u r ea n d o w n sf a i r - s i z e dc ar a t i o ，w h i c hi ss i m i l a rt ow s 2 ，m o s 2a n dg r a p h i t e ，s oi ts h o w s f a v o r a b l el u b r i c a t i n gp r o p e r t y r e c e n tr e s e a r c h e sh a v ef o u n dt h a tf o rs o m ep u r em e t a l s u c ha sp ba n da g ，t h e i rf r i c t i o nf o r c ew i l ld e c r e a s es u d d e n l y , a st h et e m p e r a t u r ef a l l i n g a n dr e a c h i n gt h e i rs u p e r c o n d u c t i n gt r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( t o = 7 2 k , l i q u i dh e l i u m ) t h i sp h e n o m e n o nc a nb ee x p l a i n e db ym i c r o m e c h a n i s mo ft h eg e n e r a t i o no ff r i c t i o n ： f r i c t i o nd e r i v e sf r o mt h ed i s t r i b u t i o no fp h o n o na n de l e c t r o n , a n d ，i t sr e s i s t a n c ef a l l st o z e r oa n dt h e r ea r en oe l e c t r i cc h a r g e sa c c u m u l a t e do nt h em a t e r i a ls u r f a c ew h e nt h e m a t e r i a li sa tt h es u p e r c o n d u c t i n gs t a t e ，s ot h ee f f e c tt of r i c t i o nm a d eb ye l e c t r o ni s d e c r e a s e d , t h i si sc o r r e s p o n d i n gt ot h eg r e a t l yd r o p p e df r i c t i o nc o e f f i c i e n t c o n s i d e r i n g t h ep r o b l e mf r o mp r a c t i c e ，h i 曲t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l sy b a 2 c u 3 0 7a n d b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 l oc a ns u p e r c o n d u c ta tl i q u i dn i t r o g e nt e m p e r a t u r e ，a n dl i q u i dn i t r o g e ni s ab y p r o d u c to fo x y g e np r o d u c t i o n , s oi tw i l lr e d u c et h ec o s tg r e a t l yi fl i q u i dn i t r o g e ni s u t i l i z e dt or e a l i z es u p e r c o n d u c t i n gc o m p a r e dt ol i q u i dh e l i u m a tp r e s e n t , t h e r ea r ef e w 江苏大学硕士学位论文 r e p o r t s o nt h el o w t e m p e r a t u r et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s o f h i 【g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l ss u c ha sy b a 2 c u 3 0 7 a th o m ea n da b r o a d , w ee x p e c tt h a tt h e f i i c t i o no fy b a 2 c u 3 0 7d e c r e a s e sg r e a t l ys i m i l a rt op u r em e t a lp ba ts u p e r - c o n d u c t i v e s t a t e ，i tm a yp o s s i b l yb e c o m e sa ne x c e l l e n tf r i c t i o nm a t e r i a lf o rw i d et e m p e r a t u r e a r r a n g eu t i l i z a t i o nf r o mh i g ht e m p e r a t u r et ol o wt e m p e r a t u r e b a s e du p o nt h ec o n s i d e r a t i o na b o v e ，i nt h i sp a p e rt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f h i 曲t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a ly l a 2 c u 3 0 7a tn o r m a la n dl o wt e m p e r a t u r e a r ed i s c u s s e d f i r s t l y , r e s e a r c ho nt h el x i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fy b a 2 c u 3 0 7a n dc ub a s e ds o l i d l u b r i c a t i n gm a t e r i a l sa r cc a r r i e do u ti na t m o s p h e r ea n dn o m l a lt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t , a n d t h e i rp r o p e r t i e sa r ec o m p a r e da l s o e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：f o rc ub a s e d l u b r i c a t i n gm a t e r i a l , s c a r i t yc o n t e n to f s o l i dl u b r i c a n tw ml e a dt oi n c r e a s e df r i c t i o nc o e f f i c i e n t w h i l ee x c e s so f i tw i l ll e a dt oi n c r e a s e dw 毪i i a n dt c 牡t h e r e i m o4 0 6 0 c u sf r i c t i o nc o e f f i c i e n t i s0 2e n di t s 忱r a t ei s7 x 1 0 6 m m 2 n ；f o ry b a 2 c n j o v , r e s e a r c hi n d i c a t e st h a tc u os h e e t o f y b a 2 c u 3 0 7 s t r u c t u r ei sw e a ka n di se a s yt os u pi nt h ee f f e c to f s h e a r i n gk i i e s s ，s oi ts h o w s l o w e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ty 2 0 3p a r t i c l e se x i t e di nt h em a t r i xr e s i s t e dd i s l o c a t i o ng l i d ea n d s t r e n g t h e n e dm em a t r i x ，s ow e a rr e s i s t a n tp r o p e r t yi m p r o v e dg r e a t l y s e c o n d l y , e x p l o r a t o r yi n v e s t i g a t i o ni sc a r r i e do u to nm a t e r i a l s t i r b o l o g i c a lp r o p e r t i e s i nl o wt e m p e r a t u r e t h em e t h o do ft e s t i n gh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l s t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sw i t hq c m ( q u a r t sc r y s t a lm i c r o b a l l a n c e ) a n di n t e r n a lf r i c t i o n i n s 位u r n e n ti sv e r ys i m i l a r , s oi nt h i sp a p e rt h eu i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fh i 出t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a ly b a z c u 3 0 7a n db i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 l oi s t e s t e da n dd i s c u s s e d p r e l i m i n a r i l yw i t hi n t e m a lf r i c t i o n i n s t n n n e n t t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t ：f o rp u r e s p e c i m e ny b a 2 c u 3 0 7a n db i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 t 0 ，t h e r e i s n ti n t e r n a lf r i c t i o n a p e x a t s u p e r c o n d u c t i n gt r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ；b u tw h e nt h es p e c i m e n sa r ep l a t e dw i t hat h i nl a y e r o fa u 衄札i tc o m e so u ta ni n t e r n a lf r i c t i n na p e xc o r r e s p o n d i n gt os u p e r c o n d u c t i n g t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e i ti sk n o w nt h a tt h ei n t e r f a c ef r i c t i o nf o r c eb e t v c e e l ls u p e r c o n d u c t i n g m a t e r i a l sa n da uf i l mw i l ld e c r e a s e b u tt n ln o w o n l yq u a l i t a t i v ei n v e s t i g a t i o ni sc a r r i e do u t , m o r er e s e a r c h e sa l en e c e s s a r yt od e v e l o pt oq u a n t i f yt h ef r i c t i o nf o r c e k e y w o r d s ：h i 曲t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l ，s o l i dl u b r i c a n tf i l m , l r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s ，y b c o ，i n t e r n a lf r i c t i o n , q c m i v 学位论文版权使用授权书 弋厂 r o 9 7 5 1 8 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：仇国袅 伽6 年6 月1 5 b 指导教师签名李咯缈 一6 年占月i r b 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钐钞 虱泉 日期：洲年易月圬日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 降低摩擦，节约能源是人类多年追求的目标；人们采用加润滑剂，改进机构 的设计，使用新材料等方法达到此目的。一般说来，气体润滑时摩擦系数1 1 1 0 4 ， 液体润滑时1 0 4 u 1 0 一，固体间无润滑时的摩擦系数0 3 l a 屯0 ，使用固体润滑 剂时o 0 3 o 3 。随着现代现代工业的发展，特别是航空工业、空间技术的发展， 它们的许多工况条件已经超越了润滑油、润滑脂的使用极限，这促使人们去寻找 新的润滑材料，固体润滑材料就是在这种背景下发展起来。 从1 9 5 7 年人类发射第一颗人造地球卫星【l 】至今，空间技术得到了异常迅速的 发展。俄罗斯的空间站、美国的航天飞机，中国的神舟系列宇宙飞船相继问世， 人类探月登陆以及探索火星计划等太空探索活动日益增多，空间技术对社会和人 类的影响力日趋增强。 卫星、航天飞机、宇宙飞船等空间飞行器的机械部件能否正常运转实现功能 和达到预期寿命，取决于飞行器内各机械部件的润滑状态，因此润滑技术研究水 平的高低直接影响着空间飞行器的正常工作质量，决定着机器人完成指定动作的 准确性及信号传输的精确程度；同时也直接影响着各运动部件的服役寿命。1 9 5 7 年苏联人造卫星东方l 号在初期就是因为润滑不良而多次出现故障，因而该项技 术的研究受到世界各国的广泛关注，许多航天大国都将其作为发展本国航天技术 的重要课题加以研究。 在宇宙空间的特殊环境下，空间环境中宽温差、高真空、强辐射的影响和一 些机械运动部件低速高载特性使空间润滑受到极大限制，而润滑油和润滑脂都有 容易蒸发的缺点，人造卫星内装载许多传感器和分光仪，来自润滑油或润滑脂的 蒸发成分一旦粘附在这些光学仪器表面，或导致其性能下降，或造成提供错误的 情报。如果污染太阳能电池表面，将降低其发电能力。因此，现在空间使用材料 要求严格控制其在真空中的脱气特性。并且润滑油脂的补给非常困难，它们无法 满足空间设备高精度、长寿命、高可靠性的要求，因而作为真空润滑剂使用是难 以实现的，于是固体润滑技术的研究与发展得到了人们的广泛关注【2 翔。 固体润滑剂的出现克服了针对液体润滑的一些固有缺点。润滑油、脂都容易 江苏大学硕士学位论文 蒸发，其蒸汽压较高，不能在lo 1 p a 以上的真空中长时间使用。而高度5 0 0 1 0 0 0 k m 的宇宙空间，真空度较高，因此，卫星需要采用蒸汽压力很低的固体润滑剂。运 载卫星的火箭，如果使用液体燃料，用作推进剂的是煤油和液氢，用作氧化剂的 是液氧，而液氧和液氢是沸点分别为1 8 3 和2 5 3 的超低温液体【4 i ，因而在将它 们从储罐加压输送到燃料室的涡轮泵的支撑轴上时，就不能使用润滑油，特别是 液氧，因其一旦与润滑油混合就有发生爆炸的危险，所以涡轮泵上的滚动轴承就 只能采用固体润滑刹那。 ， 固体润滑材料能满足高负荷、高真空、高低温、强辐射和强腐蚀等特殊工况 下对润滑的要求，能适应复杂的工作环境，为机械设备实现大型化、微型化、高 速、重载和自动控制等创造了有利条件。固体润滑材料还可以延长机器寿命，提 高机械设备的可靠性和经济性 6 - 8 1 。 固体润滑是用固体微粉、薄膜或复合材料代替润滑油( 脂) ，隔离相对运动的摩 擦面以达到减摩和耐磨的目的。这种能够降低摩擦、减少磨损的固体物质称为固 体润滑剂。随着现代科学技术的进步，为解决高负荷、高真空、高低温、强辐射 和强腐蚀等特殊工况下机械的润滑问题，固体润滑材料已从单一的微粉粘结膜或 单元的整体材料发展成为由多种成分组成的复合材料。当前，可作为固体润滑剂 的物质有石墨、二硫化钼等层状固体物质、塑料和树脂等高分子材料、软金属及 各种化合物等。其作用机理和使用方法的研究也得到迅速的发展。并出现了许多 制造设备和应用这些材料的新工艺新技术。利用国体润滑剂对摩擦面进行润滑的 技术称为固体润滑技术 9 1 。 从理论和实践上讲，利用固体润滑剂的方法，减少处于干摩擦状况下摩擦副 的摩擦和磨损是可行的；采用固体润滑可以不需要液体润滑相应的润滑装置，也 不存在泄漏问题。 空间环境中与润滑有直接关系的因素主要有高真空、环境温度、强辐射和原 _， -4 ， ， 一r “。r 子氧等。 “ ( 1 ) 高真空 宇宙空间的特点之一就是气体稀薄，据资料1 川介绍航天器在太空高轨道上运 行时所承受的空间气压为1 0 d 1 p a 量级，在近地轨道上运行时所承受的空间气压处 于1 0 5 p a 1 0 4 p a 量级范围。在上述高真空环境中，金属表面的氧化膜在摩擦过程 2 江苏大学硕士学位论文 中很快地被去除，而且再生困难，因此，摩擦偶件的表面处于“裸露”状态，发 生新鲜表面的接触。研究表明 1 1 - 1 3 】，洁净的金属表面之间非常容易发生“粘着”， 甚至产生“冷焊”，致使摩擦副不能相对运动。由此可见，对空间机械的润滑要求 是非常严格的，在这种特殊环境下使用的润滑剂不仅应当具有良好的摩擦学性能， 而且必须具有超低蒸气压的特性。常规的润滑油脂在真空条件下将急剧蒸发，致 使油脂难于长期使用，而且它的蒸发产物还会污染附近的仪器、仪表和光学元件， 导致仪器、仪表指示失真，甚至使光学元件完全失灵，所以空间飞行器中的许多部 件是忌用油脂润滑的。固体润滑剂的蒸发率一般比油脂低两个数量级，特别是在 高温时要比油脂低3 4 个数量级，是比较理想的真空润滑材料。 ( 2 ) 环境温度 宇宙空间中的飞行器面临太阳的一面承受太阳光的强烈辐照，表面温度可达 1 0 0 2 0 0 ，而背临太阳的一面受宇宙空间极冷环境的影响，表面温度可低至 1 0 0 - 2 0 0 ，这样就使航天器的环境温度在- 2 0 0 + 2 0 0 的范围内变化，因 此，用于空间机械的润滑剂的抗温变性能必须良好。 ( 3 ) 强辐射 空间环境中存在着诸如宇宙射线、紫外线、x 射线等多种辐射，在它们长期 辐照下油脂将发生分解或交联而降低或丧失润滑性能，固体润滑剂具有较强的抗 辐照性能，即使抗辐照能力最差的高分子材料其润滑性能直到1 0 4 g p 1 0 5 g p 也 无变化。 ( 4 ) 原予氧 在空间站飞行高度的大气主要成分是原子氧，高活性的原子氧很容易使材料 发生氧化而遭损伤，例如在高约8 0 0 m 的轨道上运行的俄罗斯“和平”号空间站， 经3 0 0 h 运行后p t f e 的浸蚀深度大于7 0 p m ，而且材料变的松脆并粉末化，a g 表 面的氧化层发生剥离，但以聚酰胺粘结的m o s 2 膜变化不大【1 4 1 。 另有文献【i 习报道除氧化物和金以外绝大多数润滑剂( 包括m o s 2 ) 在原子氧中最 多不超过1 0 年就要遭受损伤 在以往对固体润滑的研究中人们侧重于高温条件下的应用，制备出许多自润 滑复合材料，如m o s 2 ，石墨，六方b n 、p t f e 和c u 、m o 、w 等金属粉末烧结形 成的复合材料【16 ，1 7 1 ；用粘接或溅射等方法形成的固体润滑膜；以及许多氧化物、氟 江苏大学硕士学位论文 化物等，它们在高温下均取得了良好的效剿1 8 】。而低温下由于润滑膜变脆和低温 介质的浸入使润滑膜易于产生裂纹，而润滑膜在破裂后不具有自修复的能力，因 此有必要研究材料在低温下的摩擦机理，开发新型固体润滑材料，使其适应从低 温到高温较宽的工作温度。 从摩擦的机理角度考虑，八十年代末j k r i m 等人0 9 - 2 1 】利用q c m ( q u a r t z c r y s t a lm i c r o b a l a n c e ) 研究p b ( 1 1 1 ) 表面和吸附在其上氦气薄膜的界面摩擦，发 现当温度到达p b 的超导临界温度( t e = 7 2 k 液氦) 时摩擦力突然大幅降低。对此 他们认为：摩擦的能量耗散形式有两种：( 1 ) 电子一空穴对的扩散散射；( 2 ) 声予 激励。在超导态下，材料的电阻为零，电子散射很小，对应了摩擦系数大幅降低。 同时l i e b s e h 等人 2 2 , 2 3 1 利用q c m 和计算机模拟对a u ( 1 1 1 ) 和心，a g ( 1 1 1 ) 和 x e 的摩擦分别进行试验，也得出类似结果。另外p e r s s o n , p o p o v 等提出了相应的 物理模型1 2 4 。9 】，并通过数值计算半定量的讨论了声子和电子对摩擦的贡献。 k r i m 等【2 8 1 的研究证明，由于p b 在临界温度( t c ) 以下表面电阻为零，使其 摩擦大幅度降低。然而对于p b 等来说要在极低温度下，通常在液氦温度下( 7 7 k ) ，可以在液氮温度下实现超导，用液氮代替昂贵的液氦，使得 y b a 2 c u 3 0 7 摩擦学特性的研究既有理论价值又有实用背景。同时y b a 2 c u 3 0 7 属于 氧化物，和固体润滑材料w s 2 、m o s 2 、石墨等相类似，都具有层状结构，有较大 的c ，a 比，使得其在高温时表现出良好的固体润滑性能p o 】，但对其低温摩擦性能还 没有进行研究，从声子( p h o n e ) 发生和电子激励的角度考虑，当温度达到t c 时， 其电子激励分量将大幅减小，只剩下声子激励引起的摩擦能耗。因此，在临界温 度下摩擦力可能会大幅降低。这样，y b a 2 c u 3 0 7 有望成为一种应用于空间环境的新 型固体润滑材料。 ， 从应用角度考虑，发展空间科技研究，开创空间产业，开发空间资源，必须 一 关注极端条件下( 如高低温，高载荷，真空，强氧化，强辐射) 材料的摩擦磨损 和润滑问题。如安装在空间站外部的一些机械，机器人的关节和天文望远镜的套 筒等，其温度变化很大，要求材料适应从低温到高温较宽的工作温度。在此恶劣 的条件下用高温超导材料( y b a c u 0 ，b i s r c a c u o ) 作固体润滑剂可望有效的降低 摩擦和磨损。另外，在航空航天器件中，人造卫星和火箭等航天器用液氢作推进剂， 江苏大学硕士学位论文 液氧作助燃剂，其中万向轴节的轴承在y b a c u o 和b i s r c a c u o 的t c 以下工作， 而目前低温特性最好的润滑油也只能在7 0 c 前后使用，在更低温度下因润滑油固 化而丧失润滑能力。在实用上多采用m o s 2 和p t f e 作为固体润滑剂。但m o s 2 不 耐氧化，在氧化气氛和潮湿环境中的润滑能力大幅下降，p t f e 不能承受重剥3 1 】。 如用y b a c u 0 或b i s 圮a c u o 作为固体润滑材料，将大幅度降低轴承的摩擦和磨损。 本论文中研究和比较了c u 基固体润滑复合材料和y b a 2 c u a 0 7 在大气中室温下 的宏观和微观摩擦学特性，并对材料低温下的摩擦学性能进行了初步研究。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章y b c o 及c u 基固体润滑材料 常温摩擦学性能研究 在某些极端条件下一些零部件需要在温度相差很大的环境下工作，因此要求 材料适应从低温到高温较宽的工作温度，而y b a 2 c u 3 0 7 属于氧化物，和固体润滑 材料w s 2 、m o s 2 、石墨相类似具有层状结构，有较大的c a 比，高温下也具有良 好的润滑性能【3 0 1 。氧化物高温超导材料y b a 2 c u 3 0 7 能否在较宽的温度范围内具有 低摩擦系数和低磨损率，成为一种新型的固体润滑材料，就成了我们关注的一个 焦点对此我们先在室温下作了研究，讨论y b a 2 c u 3 0 7 在大气中室温下的宏观和 微观摩擦学特性，为便于对照，使用人们熟悉的c u 基固体润滑复合材料作比较， 并分析了c u 基固体润滑复合材料的摩擦学性能和影响因素。 2 1 金属基固体自润滑复合材料概述 固体润滑材料的发展和应用有较长的历史，它的使用温度范围广，耐腐蚀， 抗污染，能在极压，辐射和真空等条件下工作，使用寿命长，并能直接加工成零 部件，如轴承保持架，衬套，轴承，齿轮组合件，止推垫圈及密封环等。这些零 部件工作时，一般不需添加润滑油脂，就有良好润滑和抗磨效果。 我国从第一颗人造地球卫星起已经研制出不少固体润滑材料，成功的解决了 空间技术的许多润滑问题。如人造卫星的拉杆天线、太阳能电池帆板铰链及扭簧 机构、卫星姿态控制用重力平衡杆伸缩机构、百叶窗温控轴承、红外线照相机自 润滑滚动轴承、光学仪器驱动机构的润滑、万向接头和继电器开关的自润滑、功 率环一电刷和电触电的自润滑、液压输送泵滑动轴承和液氢中工作的齿轮等，都 成功地应用了固体润滑材料。4 2 。1 1固体润滑材料及其性能 固体润滑材料是由基材组元、润滑组元以及起各种辅助作用的其他组元按照 一定的组成原则和配比，经过相应的制备工艺而制成的。 根据基材组元的不同，可以把固体润滑材料分成三大类，即金属基润滑材料、 6 江苏大学硕士学位论文 非金属基润滑材料和陶瓷润滑材料。 基材组元是固体润滑材料的基体材料。固体润滑材料的物理、机械和化学等 性能主要由基材来体现。按照材料摩擦学性能的要求，基材主要起承受负荷的作 用。同时，基材应当具有与润滑组元等的良好浸润性。根据固体润滑材料的分类， 金属基润滑材料的基材通常是金属，非金属基润滑材料的基材通常是高分子聚合 物，陶瓷润滑材料的基材通常是陶瓷或金属相陶瓷。而镀( 涂) 覆型润滑材料和粘结 型润滑材料的基材可以是金属或非金属材料。背衬型润滑材料的基材一般是钢质 或有机编织材料。 充当润滑组元的通常都属于固体润滑剂。固体润滑剂的种类较多，润滑机理 也较复杂。从大类上分，可以分为软金属类，金属化合物类、无机物类和有机物 类等。 p b 、s n 、h 、z n 、b a 、a g 、a n 等许多软金属，在压力加工、辐照、真空和高 温等条件下，具有良好的润滑效果。 可以作固体润滑剂的金属化合物较多，如金属的氧化物、卤化物、硒化物、 硫化物、磷酸盐、硫酸盐和有机酸盐等。金属氧化物如p b o 、p b 3 0 4 、f e 3 0 4 等， 金属卤化物如c a f 2 、b a f 2 、c d c l 2 、c o c h 、c u b r 2 等，金属硒化物如w s e 2 、m o s e 2 、 n b s e 2 等，金属硫化物如m o s 2 等，金属磷酸盐如z n 3 ( p 0 4 h 等，金属硫酸盐如 a g a s 0 4 、l i s 0 4 等，有机酸盐如各种金属的脂肪酸皂等。 无机物类如石墨、氟化石墨、玻璃等。而像滑石和云母等虽然润滑性能差， 但电绝缘性能好，在许多特殊工况条件下可作润滑剂使用。又如b n 等也是性能优 良的固体润滑剂。 有机物类如蜡、固体脂肪酸和醇、联苯、颜料和涂料( 如酞青等) 、塑料和树 脂 如聚四氟乙烯( p t f e ) 、聚酰胺( 尼龙) 、聚酰亚胺、聚甲醛、超商分子量聚乙烯、 聚苯、酚醛等都可作固体润滑剂。 另外，为了适应各种工况和环境气氛条件下的工作条件，固体润滑材料中还 需添加其他组元，以弥补基材和润滑组元的不足。如：为了提高材料的强度、硬 度和耐磨性，可以加入硬质相；为了增强固体润滑薄膜与基材的结合强度，必需 加入粘结剂。而复合镀层中的基架金属则起到粘结润滑组元的作用，为了增强某 些润滑材料的塑性，降低其脆性，需要加入相应的增塑剂等。 7 江苏大学硕士学位论文 固体润滑材料的涉及面很广。它包括金属材料，无机非金属材料，有机高分 子材料和陶瓷材料等。固体润滑材料的性能是各组元材料性能的综合，而且受加 工方法和工艺因素的影响。同时，固体润滑材料的摩擦学特性还受工况和气氛条 件的影响【3 2 1 。 2 1 2 金属基固体自润滑复合材料及其分类 金属基固体自润滑复合材料是由具有一定强度的金属或合金基体和起减摩作 用的固体润滑剂通过粉末冶金的方法制各而成的。在摩擦过程中，基体材料主要 起承担载荷、抵抗磨损的作用。根据金属基体的强度可分为软金属基润滑材料和 金属基复合润滑材料。 ， 2 1 2 1 软金属润滑材料 软金属润滑材料早已应用在滑动轴承上。如铅和锡等应用于巴氏合金或铅( 锡) 青铜滑动轴承中，或用电镀的方法把它们镀在轴承上。这些轴承以往都采用流体 润滑，但在滑动开始还没有形成油膜润滑时，铅、锡等软金属便作为固体润滑剂 使用且效果较好。 作为固体润滑剂的有金、银那样的贵金属，也有铅、锡、锌和铟之类的低价金 属。通常，单独使用的软金属都是以物理化学镀覆的方法在基材上面镀上一层极 薄的固体润滑膜，或以金属微粉用粉末冶金的方法制成复合材料使用。在摩擦过 程中，单质的金属固体润滑膜或金属基复合材料在对偶材料表面形成转移膜，因 而减小了摩擦和磨损。 作为固体润滑剂使用的软金属一般都具有几个特点：晶体结构是面心立方结 构；剪切强度低；蒸发率低。 软金属作为固体润滑材料应用始于航天航空工业。如喷气发动机主轴的轴承保 持架上就镀有银，人造卫星太阳能帆板电池发出的电输入卫星内采用了集流环组 ”件，集流环用了金属银，电刷材料使用m o s 2 与银的复合材料这两种材料既保持 了集流环与电刷间最小的磨擦磨损，又具有良好的导电功能，且能在宇宙的高真 空环境下工作。 2 1 2 2 金属基复合润滑材料 很多金属虽然有较高的强度，但摩擦学性能较差。采取合金化措施使硬组分分 布在韧性基体中，便可改善合金的摩擦学特性。把几种各具不同特点的材料( 如软 8 江苏大学硕士学位论文 金属和其他固体润滑剂) 进行人工复合，构成复合材料，使各组分间能相互取长补 短，从而得到机械性能、化学性能和摩擦学性能都较为理想的金属基复合材料。 例如，用银3 5 3 ，钴1 1 7 6 和二硫化钨5 2 9 复合材料制作滚动轴承保持架， 用于空气和高真空中。在1 7 9 0 r r a i n 的转速下，运行寿命高达6 万小时。而一般银 轴承保持架在真空中运行寿命才1 0 0 0 h t 3 3 1 。 金属基复合材料的主要特点是：抗张强度高，剪切强度低，熔点高，尺寸稳定， 耐潮湿，焊接性能好，组织致密、有高的延展性和韧性。 金属基复合材料通常是硬质相分布于软基体中。如青铜中添加c r 2 0 3 硬质颗粒， 镍、铬、硼、硅基体中添加碳化钨、碳化钛、三氧化二铝、三氧化二铬硬质相等 复合材料。 金属基复合润滑材料