（机械设计及理论专业论文）高温发汗自润滑金属陶瓷的制备、表征及摩擦学特性研究.pdf

j 分类号匹1 2 51 鱼 u d c6 2 1 7 6 2 1 l 学 学校代码! q 垒9 z 劣多凄理歹大穿 位论文 英 题 文墨! 坠照yq 望e 垒坠西垒! i q 塾，塾墨! ：曼! 宝i 兰垒垡q 坠璺坠堕! ! i 照q ! q 2 i 曼! ! 旦乜咝i 星墨q 丛i 2 照 目! 至磐巳墨! 婪! ：星墨曼! l 望坠丛墨鱼q 壁丛曼! 垒! g 竺! ：垒虫i 墨型i ! b 苎翌曼曼! g ! 曼塑查曼! 望! 望盟 指导教师 姓名出垃职称j 虹受一学位 申请学位级别遵学科专业名称狃撼遮! 土区堡途 论文提交日期至qq 塞! 垒论文答辩日期 2 0 0 8 年4 月 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o a c a d e m i cd e g r e e se v a l u a t i o nc o m m i t t e eo f w u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h yi ne n g i n e e r i n g s t u d yo nf a b r i c a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n d t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so fh i g ht e m p e r a t u r e s e l f - l u b r i c a t i o nm e t a l c e r a m i c sw i t hs w e a tg l a n ds t r u c t u r e d o c t o r a lc a n d i d a t e ：w a n gy a n j u n m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y s u p e r v i s o r ：p r o f l i uz u o m i n w u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y w u h a n4 3 0 0 7 0 ，e r c h i n a m a r 2 0 0 8 摘要 高温发汗自润滑是基于生物体汗腺结构和发汗原理提出的一种新型自润滑 技术，其材料是由汗腺式微孑l 金属陶瓷硬质相和多元润滑剂软质相组成的互穿 网络结构复合体，其润滑机理是在高温摩擦热一应力作用下将复合体中的润滑 剂沿着汗腺式有序孔通道扩散至摩擦界面实现自补偿润滑；该研究是在国家自 然科学基金的资助下完成的。 本文在回顾多孔材料、高温固体自润滑材料以及仿生结构材料的发展与研 究现状基础上，基于人体汗腺结构与发汗机理，首次提出高温发汗自润滑的概 念；并采用二次复合造孔法，在真空条件下制备出具有汗腺式微孔金属陶瓷基 体；通过真空压力熔浸多元固体润滑剂，制备出了高温发汗自润滑复合材料； 并对其设计理论、微观结构、摩擦学特性及自润滑机理进行了系统的研究。 为实现汗腺式微孔表层分布的有序化和内胞孔的相互贯通化，文中基于高 温扩散自润滑机理和人体汗腺结构特征，通过结构和功能仿生模拟，建立了汗 腺式微孔结构特征模型；基于烧结过程中孔隙演化的分析，对该模型进行了统 计数学分析，探讨了孔结构形态、尺寸、孔径分布及孔隙度的可控机理。 为实现汗腺式烧结体的孔结构可控和强韧性可控的双重目的，论文在对材 料基体组分进行摩擦学设计的同时，组合出一种能在烧结过程中逐级分解 的复合造孔剂一t i h 2 + c a c 0 3 复合体，并辅以a 1 2 0 3 超细颗粒为弥散质点；创 新出一种二次复合造孔的液固相烧结新工艺，制备出了具有均匀开口于表层且 内互贯通的有序孔汗腺式高强度基体。 为实现汗腺式金属陶瓷的高温自润滑，论文基于软金属的成膜特点、湿润 性和熔点差，组合出一种以p b s n a g - r e 为主体的复合固体润滑剂；并采用 真空压浸工艺熔渗进汗腺式高强基体中，实现了发汗金属陶瓷的高温自润滑功 能。 文中以制备出的t i c f e c r w m o v 系高温发汗自润滑金属陶瓷为典型研究对 象，微观分析了其孔隙结构特征、力学性能和摩擦学特性。实验和理论分析表 明：所制备的金属陶瓷自润滑材料，其孔隙形态呈规则的圆形或方形，孔径分 布均匀且服从瑞利分布规律，硬质相与润滑相互相贯穿成网络状；既具有高的 压溃强度和耐磨性，又具有良好的高温白润滑性能( 6 0 0 时，平均摩擦系数 为0 2 6 - - 0 2 9 ，磨损率为6 3 x 1 0 由9 6 x 1 0 巾1 1 1 1 1 1 3 n m ) 。 e d x a 和x r d 的磨损表面分析表明，该材料在摩擦磨损过程中，润滑组 元可通过微孔通道扩散析出材料基体，在摩擦表面形成一层含有p b 、s n 、 a g 、c u 等元素的复合润滑膜。文中基于s e m 表面形貌分析，探讨了高温扩散 自补偿润滑膜结构特征和成膜机理。 关健词：金属陶瓷；摩擦磨损；高温自润滑；孔隙模型；烧结体 a b s t r a c t a san e ws e l f - l u b r i c a t i n gt e c h n o l o g y , t h eh i g ht e m p e r a t u r es w e a t i n gs e l f - l u b r i c a t i o ni sp u tf o r w a r db a s e do nh u m a n ss w e a t - g l a n ds 仃1 l c c 删呜a n di t ss w e a t i n g m e c h a n i s m s i t sm a t e r i a l sa r ec o m p o s e do fh a r dp h a s eo fm e t a lc e r a m i c sw i 廿ls w e a t - g l a n ds t r u c t u r ea n ds o f tp h a s eo f m u l t i e l e m e n ts o l i dl u b r i c a n t s t h em e c h a n i s mo f s e l f - l u b r i c a t i o ni st h a tt h el u b r i c a n t sd e p o s i t e di nt h ec o m p o s i t e sw e r ed i f f u s e do u tt o t h ef r i c t i o ni n t e r f a c et h r o u g ho r d e r l yp o r ec h a n n e l so ft h ec o m p o s i t e sw i t hs w e a t - g l a n d8 灯u c t l l r e t h er e s e a r c hp r o j e c th a sb e e ns u p p o r t e df i n a n c i a l l yb yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fp r c h i n a r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n d so fp o r o u sm a t e r i a l s ，h i 曲t e m p e r a t u r e s o l i ds e l f - l u b r i c a t i o nc o m p o s i t e sa n db i o m i m e t i cs t r u c t u r a lm a t e r i a l sw e r er e v i e w e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n an e wc o n c e p to fh i g ht e m p e r a t u r es w e a t i n gs e l f - l u b r i c a t i o nw a s b r o u g h tf o r w a r d u s i n gat w o - t i i n ep o r e - f o r m i n gm e t h o d ，am e t a lc e r a m i cp r e f o r m w i t h s w e a t g l a n d s t r u c t u r ew a sf a b r i c a t e d b yp o w d e rm e t a l l u r g y m e t h o d s u b s e q u e n t l y , an e wt y p eh i 曲t e m p e r a t u r es w e a t i n gs e l f - l u b r i c a t i o nm e t a lc e r a m i c s w a sm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l yt h r o u g hi n f i l t r a t i n gm o l t e ns o l i dl u b r i c a n t si n t ot h e p r e f o r m si nv a c u u m t h ed e s i g nt h e o r i e s ，m i c r os t r u c t u r e ，t r i b o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n ds e l f - l u b r i c a t i n gm e c h a n i s m sw e r ew e r ea n a l y z e ds y s t e m t i c a u y f o ra c h i e v i n go r d e r i n ga r r a yo ft h em i c r o p o r e so nt h es u r f a c ea n dt h ei n n e r i n t e r p e n e t r a t i o no fs w e a tg l a n ds t r u c t u r em i c r op o r e s ，am i c r o p o r em o d e ld e s c r i b i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es w e a tg l a n ds t r u c t u r a lm i c r op o r e sw a se s t a b l i s h e dt h r o u g h s t r u c t u r a la n df u n c t i o n a li m i t a t i o no fh u m a n s w e a t - g l a n ds t r u c t u r e b a s e do nt h e s t u d yo fp o r ee v o l u t i o nd u r i n gt h ep o w d e rm e t a l l u r g ys i n t e r i n gp r o c e s s ，t h em o d e l w a ss t a t i s t i c a la p p r o a c ha n a l y z e d s u b s e q u e n t l y , m e c h a n i s m sf o rc o n t r o l l i n gp o r e - s h a p e ，p o r e - s t r u c t u r ea n dp o r e - s i z ed i s t r i b u t i o nw e r ed e v e l o p e d t oc o n t r o lb o t ht h ep o r es t r u c t u r ea n dt h et o u g h n e s so fs w e a t - g l a n ds t r u c t u r a l s i n t e r e s ，b e s i d e st h et r i b o l o g i c a ld e s i g no ft h ec o m p o s i t i o no fc o m p o s i t em a t r i x ，a c o m p o u n dp o r e - f o r m i n ga g e n t , t i l l 2a n dc a c 0 3 ，w h i c hc a nd e c o m p o s es e q u e n t i a l l y w a sm a d e f i n ea 1 2 0 3p a r t i c l e sw e r ei n c l u d e da sd i s p e r s i o n an e ws o l i d - l i q u i d s i n t e r i n gt e c h n o l o g yt h r o u g ht w o t i m ep o r ef o r m i n gm e t h o dw a si n n o v a t e d a sa r e s u l t , s t r o n gs i n t e r sw i t has w e a tg l a n ds 仃u c t l u 。ea n di n t e r c o n n e c t e da n du n i f o r m l y o p e n e dm i c r o - p o r e so nt h es u r f a c ew e r ef a b r i c a t e d f o ra c h i e v i n gh i 曲t e m p e r a t u r es e l f - l u b r i c a t i o np r o p e r t i e so fm e t a lc e r a m i c s n w i t hs w e a tg l a n ds t r u c t u r e ，ac o m p o u n ds o l i dl u b r i c a n t sc o m p o s e do fl e a d ，t i n ，s i l v e r a n dr a r ee a r t he l e m e n t sw a sc r e a t e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i e so fs e l f - l u b r i c a t i o n f i l mf o r m i n gp r o c e s s ，d i f f e r e n c ei nt h em e l t i n gp o i n t sa n dw e t t a b i l i t yo fs o f tm e t a l s o l i dl u b r i c a n t s t h ec o m p o u n ds o l i dl u b r i c a n t sw e r ei n f i l t r a t e di n t oh i g hi n t e n s i t y s i n t e r sw i t hs w e a tg l a n ds t r u c t u r eu s i n gh i 曲p r e s s u r ei n f i l t r a t i n gm e t h o di nv a c u u m m e t a lc e r a m i cc o m p o s i t e sf a b r i c a t e d t h r o u g ht h i sm e t h o dp o s s e s sg o o dh i g h t e m p e r a t u r es e l f - l u b r i c a t i o np r o p e r t i e s u s i n gt i c - f e c r w m o vh i g ht e m p e r a t u r es e l f - l u b r i c a t i o nm e t a lc e r a m i c sw i t h s w e a tg l a n ds t r u c t u r ea st h er e p r e s e n t a t i v eo b j e c t i v e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o r e s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s w e r ei n v e s t i g a t e d m i c r o s c o p i c a l l y t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e v e a lt h a tt h e m e t a lc e r a m i c sh a v eh o m o g e n e o u sr e g u l a rp o r e sa sw e l la san a r r o w e rp o r es i z e d i s t r i b u t i o na n dh i g hp o r ec o n n e c t i v i t y t h ep o r es i z ed i s t r i b u t i o nw a sa p p r o x i m a t e l y f i t t e db yt h er a y l e i g hd i s t r i b u t i o nc u r v e t h e s em a t e r i a l sw h e r eb o t hs o l i dl u b r i c a n t p h a s ea n dm a t r i xp h a s ew e r ei n t e r p e n e t r a t i n gt h r o u g h o u tt h em i c r o s t r u c t u r e p o s s e s s e dh i g hi n t e n s i t y , f i n ew e a rr e s i s t a n c ea n dag o o ds e l f - l u b r i c a t i o np r o p e r t i e s ( a t6 0 0 ，t h ea v e r a g ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tr a n g i n gf r o m0 2 6t o0 2 9a n dt h ew e a rr a t e r a n g i n gf r o m6 3x10 由9 6 x10 由r n n 1 3 r a m ) b ym e a n so fe n e r g yd i s p e r s i v ex - r a ya n a l y s i s ( e d x ) a n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，i tw a sf o u n dt h a tt h el u b r i c a t i n ge l e m e n t sw e r ed i f f u s e do rs q u e e z e do u to f t h em a t r i x ，f o r m i n gat h i nl u b r i c a t i n gf i l mc o n s i s t i n go fl e a d ，t i n ，s i l v e r , c o p p e re ta l o nt h ef r i c t i o ns u r f a c e am o d e lf o rd e s c r i b i n gt h ef o r m i n gp r o c e s so fs o l i d l u b r i c a t i n gf i l mw a se s t a b l i s h e db a s e d o nt h ea n a l y s i so fs e mt o p o g r a p h y t h e m e c h a n i s mo fs e l f - l u b r i c a t i o no ft h eh i g ht e m p e r a t u r es w e a t i n gs e l f - l u b r i c a t i o n c o m p o s i t e sw i t hs w e a tg l a n ds t r u c t u r ew a ss t u d i e d k e yw o r d s ：m e t a lc e r a m i c s ；f r i c t i o na n dw e a r ；h i g ht e m p e r a t u r es e l f - l u b r i c a t i o n ； p o r em o d e l ；s i n t e r s i ! i j i 0-ilj 摘要。 目录 a b s t r a c t 第1 章绪论。 i i 1 1 1 高温固体自润滑材料的研究概况l 1 1 1 高温同体白润滑材料的研究与进展2 1 1 2 工业应用与展望一5 1 2 多孔工程材料的研究与应用5 1 2 1 多孔金属材料6 1 2 2 多孔非金属材料8 1 2 3 发展趋势8 1 3 仿生结构材料的研究与进展9 1 3 1 发j i 醍现状。9 1 3 2 发展趋势l0 1 4 课题研究的背景1 0 1 5 课题研究的内容、目的及意义l l 1 5 1 课题来源1 2 1 5 2 研究内容及拟解决的关键问题1 2 1 6 课题研究的技术路线 第2 章汗腺式结构材料的仿生设计及其数学描述 2 1 引言 2 2 结构设计的基本约定 2 3 汗腺式微孔结构的仿生设计 1 3 1 5 1 5 1 5 1 6 2 4 孔隙结构客观理论1 8 2 4 1 粉末压坯的孔隙度1 8 2 4 2 孔隙演化的数学表征2 2 2 5 微孔结构的数学表征2 8 2 5 1 孔隙结构模犁的数学描述2 8 2 5 2 平均孔径f 和比例常数k 3 0 2 6 本章结论与分析3 2 3 4第3 章汗腺式高温自润滑金属陶瓷体的制备工艺 3 1 引言 3 2 设计原则及增强增韧机制。 3 = 3 基材组元的初步设计 3 4 “ 3 5 3 a 增强增韧设计 3 5 耐磨性设计 3 7 3 8 3 6 造孔剂的复合设计3 9 3 6 1 造孔剂类型的选择3 9 3 6 2 造孔剂的复合4 0 3 7 汗腺式高温自润滑金属陶瓷体的制备。5 l 3 7 1 主要试验原料5 1 3 7 2 制备方法的选择5 2 3 7 3 汗腺式金属陶瓷体的制备工艺5 3 3 8 本章结论与分析 第4 章汗腺式金属陶瓷体的微观结构与性能表征。 4 1 引言 5 9 6 0 4 2 烧结体特征参数和性能表征砷 4 2 1 密度：6 0 4 2 2 孔隙度、孔隙结构、孔隙尺寸及孔径分布6 l 4 2 3 压溃强度和轴向收缩率6 l 4 2 4 显微硬度6 2 4 3 试验结果与分析。6 2 4 3 1 孔隙结构6 2 4 3 2 基体成分对孔隙度和力学性能的影响“ 4 3 3 粉末粒度和成形压力对孔隙结构影响6 5 4 3 4 烧结温度、烧结时问对孔隙结构和力学性能的影响7 l 4 3 5 造孔剂添加最对孔隙度和孔隙结构的影响7 3 4 3 6 孔隙度对烧结体压溃强度和轴向收缩率的影响7 5 4 4 汗腺式微孔烧结体孔径分布的模拟及验证 4 5 本章结论与分析 第5 章多元固体润滑剂设计及真空熔浸工艺研究 5 1 引言 7 6 7 9 8 0 8 0 5 2 试验材料及试验设备8 l 5 2 1 主要试验原料8 l 5 2 2 主要试验设备8 l 5 2 3 软金属p b 、s n 、a g 与基体粉末的润湿性8 2 5 3 制备工艺流程及工艺过程分析。一“ 5 3 1 制备t 艺流程8 4 5 3 2 熔浸合成工艺8 5 5 4 高温发汗自润滑复合材料的制备与表征。8 8 5 4 1 高温发汗自润滑复合材料的制备一8 8 5 4 2 高温发汗自润滑复合材料的表征一8 9 5 5 试验结果分析与讨论 毫i - 5 5 1 高温发汗自润滑金属陶瓷的微观组织9 0 5 5 2s n 含最对压溃强度和残余孔隙度的影响9 l 5 5 3a g 含最对压溃强度和残余孔隙度的影响9 3 5 5 4r e 含最对相对密度、压溃强度和残余孔隙度的影响9 5 5 5 5 熔浸工艺对相对密度和残余孔隙度的影响9 6 5 6 本章小结 第6 章高温发汗自润滑金属陶瓷的摩擦学特性 6 1 0 0 l 试验研究方法。1 0 1 6 1 1 试验设笛1 0 1 6 1 2 摩擦磨损试验1 0 2 6 2 摩擦磨损试验结果。1 0 4 6 2 1 试验温度对摩擦磨损性能的影响1 0 4 6 2 2 试验载荷对摩擦磨损性能的影响1 0 6 6 2 3 摩擦副材料对摩擦磨损性能的影响。1 0 6 6 2 4 摩擦系数1 0 7 6 2 5 摩擦磨损表面形貌1 0 8 6 3 分析与讨论 1 0 9 6 4 高温发汗自润滑复合材料的自润滑机理。1 1 3 6 4 1 自润滑复合材料的减摩机理1 1 3 6 4 2 高温发汗自润滑复合材料的自润滑机理1 1 7 6 5 本章小结 第7 章总结与展望 7 1 主要研究成果 7 2 主要创新点 7 3 展望 攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励 参考文献。 致谢 - i i i 1 2 0 1 2 2 1 2 2 1 2 4 1 2 4 1 2 5 1 2 7 1 3 6 1 、 - 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 二次大战时期，固体润滑作为研究对象被提出并成为摩擦学领域研究的热 点。德国马克思普朗克研究所和美国航空和宇航局的前身国家航空咨询委员会 都曾进行过研究开发【1 1 。如将m o s 2 用于工业应用实验，并开发了有机粘结固体 润滑膜、m o s 2 润滑脂和聚四氟乙烯润滑剂等。到二十世纪五十年代初，美国制 定了m o s 2 的军用标准，并将其作为军事机密。1 9 5 7 年，前苏联的人造卫星东方 1 号发射成功，揭开了人类进入宇宙时代的序幕，把固体润滑剂的研究开发推 进到一个引人注目的新阶段。2 0 世纪6 0 年代，陶瓷粘结m o s 2 金属自润滑复合材 料的开发成功，使得超音速飞机r s 一7 0 问世时，其上1 0 0 0 多个部位实现了固体 润滑。随着科学技术的发展，要求摩擦副能在极端工况条件( 如高承载、高速 度、高真空、高低温、强辐射等) 下工作。特殊工况下发生的摩擦状况各有其 特点，因而对润滑剂提出了苛刻的要求，而润滑油、润滑脂几乎无法满足这些 要求。如在机器人和电子计算机为主的电子机械中，主要的润滑部分( 如齿轮 机构、谐波减速器、轴承、滚珠丝杠、链索与链轮等) 均对润滑性能提出了很 高的要求一能在各种恶劣环境( 高温、辐射、尘埃、潮湿等) 下工作：在使用 寿命期限内不变质；能适应较宽的温度范围( 1 0 0 10 0 0 ) ：低温启动性能 好等。 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、耐磨的目的。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的机械润滑问题，固体润滑材 料已从单一的微粉、粘结膜或单元材料发展成为由多种成分组成的复合材料， 其作用机理和使用方法的研究得到了迅速发展，并出现了许多制备和应用这些 材料的新工艺新技术。 1 1 高温固体自润滑材料的研究概况 高温自润滑材料可分为金属基自润滑复合材料、自润滑合金和自润滑陶瓷 等三大类。其常用的制备方法为粉末冶金法和等离子喷涂法【2 硼。此外，表面技 术和铸造法也常用于高温自润滑材料的制型6 7 1 。 武汉理工大学博士学位论文 1 1 1 高温固体自润滑材料的研究与进展 金属基自润滑复合材料是以具有高强度的耐热合金作为基体，以固体润滑 剂作为分散相，通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料【8 】。其中金 属基体起支撑负荷和粘结剂的作用，固体润滑剂起减摩作用。目前对金属基高 温自润滑复合材料的研究侧重于基体的合金化、多元化和弥散强化。s l i n e y 5 】采 用c a f 2 与a g 作为润滑剂实现了从室、温至t 9 0 0 范围内和多种气氛条件下的润 滑；欧阳锦林等【9 】采用a g 与石墨作为固体润滑剂，解决了在1 0 0 0 下的摩擦部 件的润滑问题。 金属基自润滑复合材料兼有基体金属固有的特性和固体润滑剂优良的摩擦 学特性，适应于在不同的大气环境、化学环境、电气环境和温度环境等特殊环 境条件下使用。按制备过程中金属相态的不同可将金属基自润滑材料的制造方 法分为液相制备法、固相制备法和液固相混合制备法三种【1 0 1 。金属基自润滑复 合材料的摩擦学性能取决于四个方面：基体金属的组织和成分；固体润滑 剂的性质、颗粒尺寸、形状及在复合材料中所占的体积分数；固体润滑剂在 复合材料中的分布状态和界面的性质和特性；复合材料的合成方式。 自润滑合金的摩擦学设计思想立足于对合金组元进行调整和优化，使合金 在摩擦过程中产生氧化物膜而具有减摩特性。李诗卓和m b p e t e r s o n 等【1 1 川3 】利 用自生氧化膜的减摩作用原理研制了n i c u r e 和c o c u r e 高温自润滑合金， 并探讨了其高温减摩机理。结果表明：从1 0 0 c 到9 0 0 ，合金保持低的摩擦 系数，这与摩擦表面形成氧化膜的减摩作用有关。李溪滨等【1 4 】在n i c r - c u 基合 金中添加脆性的c a f 2 ，发现材料的力学性能稍有下降，但却提高了材料的摩擦 磨损性能，如粉末组成为n i c r 2 5 ：c u ：c a f 2 = 8 0 ：5 ：1 5 ( 质量分数) 的材料：在室温 下，材料的磨损率下降2 8 ，在6 0 0 下，材料的磨损率下降4 0 4 ：随着温度 的升高，材料的摩擦系数逐渐减小，至u 6 0 0 时摩擦系数降到o 1 3 左右。 大量实验结果表明，自润滑合金的高温摩擦磨损行为受其表面自生成氧化 膜的影响和控制。通常情况下合金的摩擦系数与温度的关系如图l - l 所示【l5 1 ，曲 线分为5 个部分： ( 1 ) 低温下的摩擦形式为金属金属，多数高温合金将产生擦伤，摩擦系数 接近0 9 0 ； ( 2 ) 当摩擦温度升高至合金软化温度时，摩擦系数开始上升，通常这也是 2 武汉理工大学博士学位论文 再结晶温度； ( 3 ) 随温度的继续升高，摩擦界面开始形成氧化膜，摩擦系数降低； ( 4 ) 当摩擦界面形成完整的氧化膜后，摩擦状况已完全决定于氧化膜，摩 擦和磨损显著低，一般情况下摩擦系数在0 2 0 - - 0 3 5 之间： ( 5 ) 降温过程中，当温度降到一定数值时，缺乏延性的氧化物开始从表面 剥落，但是如果无延性的氧化膜仍和表面保持很强的结合，仍起减摩作用，待 氧化膜被完全去除后，摩擦系数回到原来的数值。 口 u 毒籁 g 倏 薹誊 u 苫 f i g 1 - lr e l a t i o n s h i pb e t 、m 哉mt e m p e r a t u r ea n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to f m a t e r i a l s 图l - l 材料摩擦系数与温度的关系 p e t e r s o n 等在q u h 1 n l l 6 】研究的基础上，提出氧化膜产生有效润滑的条件是： 氧化膜的厚度在0 0 5 1 p m 之间； 氧化膜软且具有延性，由双扩散形成； 磨损率小于氧化速率： 因磨损失效而非疲劳或断裂失效； 慢氧化一慢磨损型； 非磨粒性； 氧化物的摩尔体积比金属小； 热膨胀系数匹配； 在金属氧化物界面存在滑移； 形成低熔点的玻璃态氧化物。 由于自润滑合金不仅具有合金基体良好的机械强度，而且具有固体润滑剂 良好的摩擦学特性，已在工程领域获得成功的应用。目前，在工业领域已商品 3 武汉理工大学博士学位论文 化的自润滑合金比较典型的主要包括：干摩擦轴承、轴瓦、衬套、活塞、齿 轮、轴、滑块、电接触器、垫圈和密封圈以及阀门座和轴承保持架等。 陶瓷材料因硬度高，具有优良的高温强度、耐磨性及抗化学腐蚀等优异性 能而受到普遍关注，并已在很多工业领域获得日益广泛的应用，特别是在高温 摩擦条件下的应用具有更广阔的前景。这使得有关陶瓷材料高温摩擦学特性的 研究日益活跃。正如英国利兹大学著名摩擦学家d d o w s o n 教授所预言，九十年 代摩擦学研究与发展的重点在于陶瓷及其复合材料【1 他们。在陶瓷中加人固体润 滑剂是实现自润滑的一条有效途径【2 1 1 。自润滑陶瓷包括金属陶瓷和陶瓷两大 类。 k a t s u n i r on i s h i y a m a 2 2 1 和s e n d at e t s u y a 2 3 】等研究了含t i b 2 陶瓷的摩擦特 性。结果表明：含t i b 2 的陶瓷在高温下具有较低的摩擦系数。这是因为高温下 t i b 2 被氧化生成b 2 0 3 ，而b 2 0 3 熔点低，在高温和摩擦应力场的作用下扩散到摩 擦表面，从而对摩擦磨损特性起决定性的作用。c a r r a g i c h a r l 0 1 2 4 等研究了s i 3 n 4 六方b n 陶瓷材料的干摩擦特性。结果表明：六方b n 对s i 3 n 4 陶瓷摩擦系数的影 响很小，在b n 含量为1 0 时，其摩擦系数降至最低( 从0 8 2 降低至0 6 7 ) ，当 b n 含量超过1 0 时，磨损率将会急剧增加。赵志强等【2 i 】研究了a g f ( a 1 2 0 3 - g a f 2 1 5 g l a s s ) 系列自润滑陶瓷材料与纯a 1 2 0 3 陶瓷对磨时的摩擦学特性。研究 结果表明：a g f 4 0 试样( 含4 0 的g a f 2 ) 的抗弯强度为1 8 0m p a ，断裂韧性 3 9m p a 。当法向载荷为4 9 n ，滑动速度为0 3 1 4 m s 时，摩擦系数为0 1 6 ，磨损 率为7 1 0 。7 1 1 1 1 1 1 3 n m 。因此，自润滑材料良好的机械性能及其与基体牢固结合 的润滑膜层是获取优良摩擦学性质的两个重要因素。 金属陶瓷的摩擦学设计思想在于利用金属或合金为粘结相、陶瓷为耐磨 相、润滑剂为润滑相以实现强度、韧性和润滑性的统一。因此，借鉴结构陶瓷 的配方，对润滑相进行复配是目前的主要研究方向。d e l l a c o r t e 幂l l s l i n e y l 2 5 。2 7 等 对n i c r 3 c 2 ( c a f 2 b a f 2 a g ) 高温自润滑复合材料及其涂层进行了较为系统的 研究。结果表明，该类型的金属陶瓷自润滑涂层( 标号为p s 2 1 2 ) ，在9 0 0 的 还原气氛下具有良好的润滑性能，摩擦系数约为0 2 3 4 ) 3 0 【2 引，有望解决s t r i l i n g 发动机的高温润滑问题。王静波等【2 9 3 0 】考察t n i w c p b o 系自润滑金属陶瓷的 高温摩擦学特性，发现摩擦化学产物p b w 0 4 是该类材料具有优异摩擦学特性的 主要原因。蒋阳等1 3 l 】制备了石墨z t a 自润滑陶瓷基复合材料，并考察了其摩擦 4 武汉理工大学博士学位论文 学特性。结果表明：加人适量的石墨将降低z t a 陶瓷的摩擦系数，显示出良好 的自润滑特性。但石墨含量过高不但会加剧材料的磨损，而且会使材料的摩擦 系数提高，且摩擦磨损过程中会产生剥落、犁沟等。 1 1 2 工业应用与展望 高温固体自润滑材料在机械结构设计和简化等方面具有先天的优越性，已 成为高温摩擦学领域研究的热点。已经开发出在高速、高温下使用的轴承，如 以粉末冶金法制取的n i 基自润滑复合材料，n i w s 2 ，n i c a f 2 和n i m o s 2 ，以及 m o - m o s 2 ，t a - m o s 2 和部分c u 基自润滑复合材料等，都已得到一定程度的应 用。随着现代航天和航空工业的发展，宇宙空间机械的摩擦学得到了迅速发 展，具有低摩擦系数、良好自润滑性能和低滑动噪声的a g 基二硫化物自润滑 复合材料，已经成功的应用在外层空间使用的微型轴承上。但在金属基自润滑 复合材料实际应用上方面，还有很多问题尚未得到满意的