（材料学专业论文）碳化硅及其复相陶瓷高温摩擦学特性的研究.pdf

湖南人学研究生院博十学付论文 摘要 s i c 陶瓷作为摩擦学构件已获得广泛应用，关于s i c 的摩擦学研究已成为当前 陶瓷摩擦学研究的热点之一。与会属材料相比，人们对陶瓷材料摩擦学特性的认识 还很不充分，有关s i c 陶瓷的高温摩擦学性能和磨损机理的研究报道则更少。本文 对s i c 及其复相陶瓷的高温摩擦学性能、高温磨损机理进行了较系统的研究。 系统地研究了s i c 陶瓷从室温1 0 0 0 的摩擦学特性，探讨了摩擦环境参数( 环 境温度、外加载荷、摩擦速度，摩擦里程和介质) 对s i c 陶瓷高温摩擦系数、比磨 损率( w s ) 的影响。当温度为6 0 0 1 0 0 0 、载荷为o 2 m p a 、摩擦速度在0 2 o 3 m s 时，s i c s i c 的高温摩擦磨损性能较好，自对偶的高温磨损在空气中比在真空 中大。 通过系统地研究载荷和温度对比磨损率的影响，首次得出s i c ，s i c 的高温磨 损图。该图分为四个区；( i + i i ) 区为严重磨损区，i v s 1 5 1 0 4 m m 3 f m m m ) ； 区为中等磨损区，5 x1 0 8 m m 3 ( n m m ) 一1 w s 1 5 1 0 4m m 3 , ( n m m ) ；i v 区为轻 微磨损区，w s 1 5 x 1 0 - s m m 3 ( n r a m ) - i ；i i ii s m e d i a t ew e a ra r e a ，5 x 1 0 8 m m 3 ( n m m ) - i w s 1 5 x 1 0 s m m 3 , ( n m m ) 1 ；i v i sm i l dw e a ra r e a ，职 5 x 1 0 4 m m ( n r a m ) 一e a c ha r e ai sc o n t r o l l e db yd i f f e r e n tw e a rm o d ea n dw e a rm e c h a n i s m ， a n dt h e yc a nb et r a n s f o r m e de a c ho t h e ru n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s i na i r w h e nt h el o a di sl e s st h a n0 4 m p aa n dt h et e m p e r a t u r el o w e rt h a n4 0 0 。c t h e w e a ro fs i c j s i ci si nm i l dw e a ra r e a ( ) a n dt h ew e a rm e c h a n i s mi sd o m i n a t e db y p l o u 曲w e a ra n da b r a s i v ew e a r w i t ht h ei n c r e a s eo ft e s t i n gt e m p e r a t u r e ( 4 0 0 。ca n d a b o v e ) ，a d h a s i v ew e a rd o m i n a t e sw e a rm e c h a n i s ma n dt h ew e a rc o m e si n t ot h em e d i a t e w e a r ( 1 1 1 ) w h e nt h el o a di so 4 m p aa n da b o v e ，t h ew e a rt r a n s i t sf r o mm e d i a t e ( i ) t o s e v e r e ( i i ) w i t ht h ei n c r e a s eo ft e s t i n gt e m p e r a t u r e ，a n dt h ed o m i n a t i n gw e a r m e c h a n i s mi sa l s ot r a n s f o r m e df r o ma d h a s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a rt od e l a m i n a t i v e w e a ro rac o m b i n a t i o no ft h e m e f f e c t so ft h ed i f f e r e n c eo fm i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t so fs i co nt r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sw e r ei n v e s t i g a t e d b e c a u s e1 3 - s i cs p e c i m e nh a ss m a l l e rg r a i ns i z ea n d f i n e rm i c r o s t r u c t u r et h a na - s i c t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n ds p e c i f i cw e a rr a t eo f 8 - s i c f l s i ca r el o w e rt h a nt h o s eo fa - s i c a s i c t h es u p e r i o rm e c h a n i c a l p r o p e r t y s i c 及其复相陶瓷高温片撩宁特t 牛的研究 a n dt h e i r “p i n ”e f f e c t i o no ft h ea d d i t i o no fs e c o n dp h a s e s ( s u c ha st i b 2 ) i m p r o v et h e s t r e s sd i s t r i b u t i o n ，f o v l l i $ o m l ：b r i d g e so fc h a i nc o n n e c t i o na n dd e f l e c tc r a c k si nt h e c o m p o s i t e s ，a n di m p r o v et h et f i b o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p o s i t e s f o u rk i n d so fs i cm a t r i xc o m p o s i t e ss i c c f , s i c w c ，s j g t i ca n ds i c - t i b 2w e r e p r e p a r e d t o i m p r o v i n gt h et r i b o l o g i c a l b e h a v o ro fs i c t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d s p e c i f i cw e a rr a t eo ft h ec o m p o s i t e sa r em u c hl o w e rt h a nt h a to fs i c s i c ，t h er e a s o ni s t h ei m p r o v e m e n to ft h ea t r e n g t ha n dt r i b o - o x i d a t i o ns p e e d ，a n dp r o r a t i o no ff r a c t u r e t o u 【g h n e s s i ti ss u g g e s t e dt h a tt od e v e l o ps i cc o m p o s i t e sb yt h ed e s i g no fc o m p o s i t i o n a n dm i c r o s t m c t u r ei sa ne f f e c t i v ew a yt or e d u c et h ew e a ra n df r i e t i o no fs i c s i ca t h i g h t e m p e r a t u r e s t h ec h a n g e so fm i c r o g r a p ha n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ew o ns u r f a c eo fs i c a n di t sc o m p o s i t e sh a v eb e e ne v a l u a t e db ys e m ，t e m ，x r da n dx p sa n a l y s i s u pt o 6 0 0 ca n da b o v e ，at h i nf i l mu s u a l l yf o r m e do nt h ec o n t a c ts u r f a c e ，w h i c hi sm a i n l y c o m p o s e do fa m o r p h o u ss i 0 2w i t hs u b m i c r o np a r t i c l e s t h et r i b o c h e m i e a lr e a c t i o no fs i cc o m p o s i t e sa r et h eo x i d a t i o no fs i c ，t i c ，w c a n dt i b 2 ，w h i c hi sa l s ot h er e s o u r c eo ft h et h i nf i l m o w i n gt ot h eo x i d a t i o nf i l mi s s o f t e rt h a ns i cp a r t i c l e sa n di se a s yt od ol a t t i c ed e f o r m a t i o n ，i ti m p r o v e st h ea b i l i t yo f p l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h ec o n t a c ts u r f a c e ，r a i s e st h et h r e s h o l dv a l u eo ff r a c t u r e ，a n d p l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nw e a r - r e s i s t a n c ea n dl u b r i c a t i o na te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s ，s o t h a ts i cc o m p o s i t e ss h o wt h ep h e n o m e n o no fs e l f1 u b r e c a t i o n t h et h r e s h o l dv a l u eo f f r a c t u r ei sr e l a t e dw i t ht e s tp a r a m e t e r sa n ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fs i c s i c ，i n c l u d i n ga l o w e rl i m i ta n du p p e rl i m i tt h r e s h o l dv a l u eo ff r a c t u r e t h ed e v e l o p m e n to fc r a c k si n m e t a s t a b l es t a t eb e t w e e nt h el o w e rl i m i ta n du p p e rl i m i tt h r e s h o l dv a l u e ，d o n tl e a dt o f r a e t u r es o o n t h eg e n e r a t i o na n dd i s a p p e a r a n c eo ft h et h i nf i l ma r ead y n a m i cp r o c e s s ，w h i c hi s c l o s e l yr e l a t e dw i t h a n d 斥i st h eg e n e r a t i n gs p e e do ff i l m ，i st h eb r e a k i n g s p e e do ff i l ma n d i st h er e m o v i n gs p e e do ft h ed e b r i sf r o mb r o k e nf i l m k e y w o r d s ：s i l i c o nc a r b i d 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 sa th i g h t e m p e r a t u r e s ； w e a rm e c h a n i s m ；s e l f - l u b r i c a t i o na th i g h - t e m p e r a t u r e ； t r i b o - c h e m i s t r y ；i n - s i t us y n t h e s i s t e s 湖南大学研究生院博+ 学竹论文 插图索弓 图2 1 试验技术路线图1 9 图2 2 试样的形状和尺寸2 l 图2 3 环一板摩察试验机2 1 图2 4h m i 2 0 0 0 型高温摩察试验机2 3 图3 1 试验温度对s i c s i c 摩擦系数的影响2 8 图3 2s i c s i c 摩擦表面摩擦应力示意图2 9 图3 3 摩擦表面破坏作用较大的三种微凸体示意图2 9 图3 4 试验温度对s i c s i c 比磨损率的影响( o 2 m p a ) 3 1 图3 5 在空气中经6 0 0 c s i c t s i c 磨损后磨屑的x r d 谱图3 2 图3 6s i c s i c 磨损断面的s e m 显微结构3 3 图3 7 试验温度对s i c s i c 比磨损率的影响( 0 4 m p a ) 3 3 图3 8 几种s i c 陶瓷断裂强度随温度的变化关系3 4 图3 9 载荷对s i c s i c 摩擦系数的影响3 6 图3 1 0s i c s i c 试样转动摩擦磨损模型3 8 图3 1 1s i c s i c 试样转动摩擦磨损模型的显微结构和摩擦应力分析3 9 图3 1 2 外加载荷和温度对s i c s i c 比磨损率的影响4 0 图3 1 3s i c s i c 高温摩擦中不同摩擦表面示意图4 l 图3 1 4s i c s i c 试样摩擦表面变化情况4 2 图3 1 5 摩擦里程对s i c s i c 摩擦系数的影响4 3 图3 1 6 摩擦里程对s i c s i c 比磨损率的影响4 5 图3 1 7s i c s i c 在不同摩擦速度下磨损层s e m 显微结构4 5 图3 1 8s i c s i c 在不同介质中磨损层s e m 显微结构4 7 图3 1 9a s i c 和0 s i c 陶瓷试样的s e m 显微结构4 7 v s i c 及萁复相陶瓷高温摩擦学特件的研究 图3 2 0d - s i c 和b s i c 自对偶高温蘑损层和亚表面典型显微结构4 9 图3 2 1a s i c 和b s i c 自对偶高温摩擦亚表面s e m 显微结构4 9 图3 2 2o k a d a s i n e s 微裂纹连通模型和裂纹空腔扩展机理5 0 图3 2 3 在空气和真宅中s i c 磨屑的x r d 分析图谱5 2 图3 2 4s i c 磨损磨屑的t e m 分析结果5 3 图3 2 5s i c 磨损磨屑包裹结构的t e m 分析结果5 4 图3 2 6s i c 磨损试样横断面的元素浓度分布e p m a 分析5 5 图3 2 7s i c s i c 摩擦表面温度计算模型5 6 图4 1 温度对s i c 和s i c c a 自对偶摩擦系数的影响6 0 图4 2s i c - c a d s i c - c f 磨损表面的典型显微结构6 l 图4 3s i g 白s i c c f 磨损磨屑的t e m 分析结果6 2 图4 4 热压s i c c f 中碳纤维的桥接效应和拔出效应示意罔6 3 图4 。5 温度对a s i c 和q s i c w c 自对偶摩檫系数的影响6 4 图4 6s i c w c s i c w c 磨损表面的典型显微结构6 5 图4 7w c w c 高温摩擦系数与温度变化的关系6 5 图4 8w c 和t i c 硬度与温度的关系6 6 图4 9s i c w c 复相陶瓷晶粒裂纹扩展桥接模型6 6 图4 1 0 温度对b s i c 和b s i c t i c 自对偶摩擦系数的影响6 8 图4 1 1t i c t i c 高温摩擦系数与温度的关系6 9 图4 1 2s i g 砸c s i c 川c 磨损层的s e m 显微结构7 0 图5 1s c r b 3 试样的x 一衍射分析图谱7 3 图5 2 温度对t i b 2 s i c t i b 2 一s i c 高温摩擦系数的影响7 5 图5 3 验温度对t i b 2 s i c f i b 2 s i c 高温比磨损率的影响7 6 图5 4 载荷对t i b 2 s i c f i b 2 一s i c 高温摩擦系数的影响7 7 湖南大学研究牛院博十学付论文 图5 5 载荷对t i b 2 一s i c 厂r i b 2 _ s i c 高温比磨损率的影响7 8 图5 6 t i b 2 - s i c t i b z - s i c 磨损层的s e m 显微结构7 8 图5 7 t i s 2 - s i c t i l 3 2 ，s i c 磨损层的s e m 显微结构8 0 图5 8t i b 2 s i c f r i b 2 - s i c 磨屑包裹结构的t e m 分析结果8 0 图5 9 t i b z - s i c 基复相陶瓷中t i b 2 颗粒引起的裂纹偏转8 2 图6 1s i c s i c 犁削磨损后磨损层的s e m 显微结构8 5 图6 2s i c s i c 磨损层的s e m 显微结构8 6 图6 3s i c s i c 粘着磨损层和剥离磨损层s e m 显微结构8 7 图6 4s i c 及其复相陶瓷材料中摩擦氧化物对微裂纹扩展阻止作用示意图8 9 图6 5s i c s i c 高温磨损后的典型显微结构及模型9 0 图6 6s i c s i c 摩擦亚表面的典型显微结构9 2 图6 7 s i c 高温摩擦中位错交叉会合形成裂纹核的模型：9 3 图6 8 存在于s i c s i c 磨损层裂纹的s e m 显微结构9 4 图6 9 存在于s i c s i c 磨损层断裂的s e m 显微结构9 5 图6 1 0 存在于s i c s i c 磨损层断裂的s e m 显微结构9 5 图6 1 1 脆性断裂力学上三种裂纹的示意图9 6 图6 1 2i 型裂纹尖端小范围屈服示意图9 7 图6 1 3s i c 及其复相陶瓷高温摩擦中裂纹非平面型扩展模型9 7 图6 1 4 陶瓷材料典型的裂纹扩展v k i 曲线1 0 0 图6 1 5 高温下热压s i c 陶瓷的裂纹缓慢扩展曲线和数据1 0 0 图6 1 6 高温下热压s i c 陶瓷的 0 ，丁关系曲线1 0 1 图6 1 7 在低摩擦应力下s i c s i c 高温摩擦表面接触损伤模型1 0 2 图6 1 8s i c 、s i 3 n 。、a l o 。和r e n e1 2 5 超级合金蠕变的对比1 0 3 图6 1 9s i c w c 和s i c - t i c 复相陶瓷高温磨损中裂纹扩展偏转模型1 0 4 图6 2 0s i c s i c 在各试验温度下磨损层s e m 显微结构( 0 4 m p a ) 1 1 0 图6 2 1s i c s i c 在各试验温度下磨损层s e m 显微结构( 0 2 m p a ) 1 1 2 图6 2 2s i d s i c 磨损图1 1 3 湖南大学研究生院博+ 学付论文 附表索引 表1 1s i c 及有关陶瓷的性能2 表1 2s i c 及其复相陶瓷性能与高温磨损机理的关系2 表1 3s i c 及其复相陶瓷的功能及应用4 表1 4s i c 及s i c 基复相陶瓷的用途4 表1 5 关于s i c 及其复相陶瓷的摩擦磨损性能研究结果的列举5 表1 6 环境参数与s i c 陶瓷摩擦磨损性能关系的研究结果的列举6 表1 7s i c s i c 摩擦磨损表面分析的研究1 0 表1 8 部分陶瓷基自润滑材料1 7 表2 1 制各试样所用原料2 0 表2 2 研究中所用试样2 0 表2 3 制各试样的配料组成2 0 表2 4 原位合成b 2 s i c 配科组成单2 1 表2 5s i c 和b 2 s i c 基复相陶瓷的物理性能2 3 表2 6 试验中有关摩擦环境参数2 3 表3 11 7 1 s i c a s i c 和1 3 s i c b s i c 的比磨损率4 8 表4 1s i c 及s i c c , t 自对偶的比磨损率6 1 表4 2s i c 及s i c - w c 自对偶的比磨损率6 3 表4 3s i c 及s i c - t i c 自对偶摩擦的比磨损率6 7 表5 1 s i c 和各级t i b 2 材料的性能7 3 表5 2t i b 2 一s i c 基复相陶瓷中s i c 和t i b ：的设计组成7 3 表5 3 t i c 和b 4 c 配比对t i b 2 ，s i c 基复相陶瓷摩擦学性能的影响( 2 0 ) 7 4 表5 4t i c 和b 4 c 配比对t 【b 2 一s i c 基复相陶瓷摩擦学性能的影响( 6 0 0 ) 7 5 表6 1s i c s i c 摩擦表面温度与表面状况1 1 0 湖南大学研究生院博十学何论文 物理量符号索引 p ，一摩擦表面摩擦接触点的实际应力，m p a 日i 雏氏硬度，g p a v 一为取决于摩擦表面的幂指数l i b 布氏硬度，g p a r 压入微凸体的投影半径卜摩擦应力 b 与材料性能和表面状况有关的系数摩擦系数 f r 摩擦应力的犁削分力，m p ah h 加载荷，n s 摩擦应力的切向分力m p a 如一临界强度，m p a p ，载荷引起的实际应力，m p a 7 厂抗剪切强度极限，m p a p 载荷引起的表观载荷，m p an 厂安全系数 ( 或女) 一导热系数，w m k 以一强度屈服极限，m p a 物理性能和几何性能参数畔擦速度，m s 摩擦表面表观面积，m 2 ”泊松系数 鼻分子键强化系数( 无量纲)f 应变 刁一实际接触面积占表观面积的分数6 一表示摩擦表面曲线参数 d ，滞后摩擦损失系数摩尔体积 材料的弹性常数e _ 啼j 料的弹性模量 以裂纹最低成核应力，m p ay 材料自由表面能 y 。扩展单位面积裂纹所需的塑性功u 一裂纹系统的总能量 毗_ 外加载荷所做的功玩储存的应变势能 k ，一i 型裂纹修正后的应力强度因子 2 c _ 一临界裂纹长度 g 应变能释放率( 又叫裂纹扩展驱动力) n b 、b - - b u r g e r s 矢量 g c l 表示s i c 基体材料的l 临界应变能释放率p 裂纹尖端的曲率半径 撒体s i c 基体材料微裂纹扩展门槛值y _ 几何形状因子 g f 裂纹扩展门槛值( 裂纹扩展临界应变能释放率) 【。一自由表面能 k ”一i i 型裂纹修正后的应力强度因子_ 裂纹缓慢扩展指数 k w - i 型裂纹修正后的应力强度因子乃摩擦环境温度， 死一按名义载荷计算得到的摩擦表面温度，川体常数 耳一按实际载荷计算得到的摩擦表面温度，蝉位温度下的热通量，j m 2 k 扣挤压或碰撞后产生磨损的微凸体的几率6 材料常数 c 一取决于微凸体形状和材料强化的系数( 无量纲1 ，麒有小范围屈服的i 型裂纹尖端到一。等于材料屈服极限的一。距离 r 不具有小范围屈服的i 型裂纹尖端到。等于材料强度极限的t 70 距离 l x 湖南大学 学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本申明的 篡譬獭 作者签名：f 印y r 唰 日期：2 0 0 6 年1 1 月1 8 日 ，、请在嗲上相应方框达“”) 篡辐 篡篡： 湖南大学研究生院博+ 学何论文 第1 章绪论 s i c 陶瓷由于具有优异的高温强度和硬度，良好的抗氧化、抗化学腐蚀等性能， 因而被认为是一种有广泛应用前景的耐磨耐腐蚀结构材料；如作为高温耐磨构件和 耐腐蚀构件，已在冶金、机械、化工、能源和航天航空等工业领域获得了越来越广 泛的应用【l i 。 s i c 陶瓷作为高温耐磨结构件，用来制造汽车发动机上耐磨零部件，如气门顶杆、 活塞环和阀门等，对研制造新一代高效汽车发动机具有重要的意义。目前，s i c 在 高温干摩擦条件下替代高温台金还不是很成熟，因此，深入地研究s i c 陶瓷的高温 摩擦学性能，探讨有效的高温润滑方法，降低s i c 陶瓷的高温摩擦和磨损，对拓展 s i c 陶瓷在高温结构领域的应用具有重要的理论和现实意义。 用s i c 陶瓷作为摩擦学构件的研究和应用是近年来国外新型陶瓷材料性能评价 和摩擦学研究的前沿课题之一，受到了材料学家的广泛关注和研究兴趣。但与金属 材料相比，人们对陶瓷材料高温摩擦磨损的认识还很不深入，特别是对s i c 陶瓷的 高温摩擦学性能、磨损机理的还缺乏系统的研究。本文将针对摩擦环境参数对s i c 陶瓷高温摩擦学性能的影响、减磨和自润滑、高温磨损机理进行系统和详细的研究。 本章主要介绍s i c 及其复相陶瓷的基本特性及作为耐磨结构材料的应用、摩擦 环境参数对其摩擦学性能与磨损机理的影响、s i c 复相陶瓷的摩擦学研究等，最后 削述了本文的研究目的和主要研究内容。 1 1s i c 陶瓷的基本特性及其在结构件中的应用 1 1 1s i c 陶瓷的基本特性与磨损的关系 s i c 陶瓷有高温型a - s i c 和低温型1 3 - s i c 两大类，由1 3 s i c 向。l s i c 转变的温度 为2 0 0 0 2 1 0 0 ，升华温度为2 5 0 0 2 7 0 0 ；本研究所涉及的最高试验温度为 1 2 0 0 ，在该温度下物相的稳定性免除了相变给s i c 高温摩擦学性能带来的影响。 s i c 的s i c 键结合约8 7 为共价键，在成键时形成s p 3 杂化轨道，形成类金刚石结 构的四面体基本结构单元。s i c 具有很高的硬度和熔点，其高温强度高，耐磨耐腐 蚀性能好。s i c 陶瓷的热导率高、热膨胀系数小，其优良的抗热震性为s i c 陶瓷作 为高温摩擦学构件奠定了良好的基础。s i c 及相关碳化物和氧化物陶瓷的性能见表 1 11 3 - 6 1 ，与陶瓷摩擦和磨损密切相关的性能如表1 2 所示 7 - 9 1 。 s i c 及其复相陶瓷高温睁擦学特性的研究 表1 1s i c 及相关碳化物和氧化物的性能比较 1 1 a b l e l 1c o m p a r i s o no f p r o p e r t i e so f s i c 晶dr e l a t e dc a r b i d ea n do x i d e m a t e r i a l s 表1 2 陶瓷的性能与摩擦磨损的关系 t a b l e l 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o p e r t i e sa n df r i c t i o na n dw e a r 1 1 2s i c 陶瓷的高温摩擦 高温摩擦是指在5 0 0 以上的高温环境中由于指定运动而引起的摩擦，环境温 度应包括因摩擦产生的自升温m “”。高温摩擦具有以下特点： ( 1 ) 不能使用润滑脂或其它润滑剂束润滑，即高温摩擦通常为干摩擦。 ( 2 ) 减磨和润滑必须依靠对偶摩擦材料选择、自润滑的设计来完成。 ( 3 ) 在高温环境下材料表面状态不同于常温，可能发生氧化、蠕变和熔融等， 这些变化对材料摩擦磨损与润滑特性有很大影响。 ( 4 ) 温度对磨损形式有较大的影响，可能多种磨损机理同时作用而构成复合磨 损，体系较复杂。 s i c 陶瓷在高温环境下所表现出来的性能不同于常温性能，高温性能的变化较 为复杂，不仅仅足机械强度发生变化，而且化学活性会增加，与周围介质的相互作 湖南人学研究佳院博十学付论文 用也会加剧，加速了扩散和表面解吸等等。s i c 的这些性能变化主要表现在： ( 1 ) 氧化。s i c 表面氧化对摩擦磨损的影响主要取决于氧化物的性能，其中氧 化物的硬度和高温塑性变形能力对s i c 高温摩擦学特性的影响最大。s i c 的氧化产 物为无定形的s i 0 2 ，硬度比s i c 低。在高温下易产生塑性变形，在一定的条件下可 在摩擦表面形成一层薄膜，有利于减小摩擦和磨损。 ( 2 ) 结构变化。s i c 陶瓷在高温下因摩擦应力作用可能导致品格畸变，晶粒细 化等结构变化，对材料的高温摩擦学性能有较大的影响。 ( 3 ) 表面粘附。摩擦表面的粘着会使摩擦系数增大，但如果摩擦表面粘附的物 质具有塑性变形性质，则可以改善对偶摩擦表面的摩擦学性能，如铌与s i c 陶瓷对 摩时铌粘附在s i c 的表面，在5 0 0 时就出现塑性变形，摩擦系数减小；热压烧结 碳化硅自对偶摩擦时，s i 0 2 的粘附在高温下能起到减磨润滑作用”】。 ( 4 ) 在s i c s i c 高温摩擦中，摩擦表层脆性的降低、塑性的提高、表面硬度和 屈服强度的变化、微缺陷的聚集、表面应力的集中等等，也都可能导致s i c 陶瓷在 高温下摩擦学特性不同于常温。， 1 1 3s i c 及其复相陶瓷在结构件中的应用 现代国防、核能、空间技术和汽车工业、海洋工程的迅速发展，对火箭燃烧室 内衬、飞机涡轮发动机叶片、核反应堆结构部件、高速气动轴承和机械密封件等材 料的要求愈柬愈高，迫切需要开发各种新型高性能耐磨结构材料，s i c 陶瓷在上述 领域已获得广泛应用。例如用来制造精密机床导轨，尺寸稳定并且耐磨，经加工成 精细的、表面光洁的导轨具有低的摩擦系数。在宇航和汽车工业中，s i c 陶瓷也被 认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件最有希望的候选材料之一【1 3 】。s i c 陶瓷的有关功能及其应用见表1 3 和表1 4 。 1 、返回式宇宙飞船的热防护罩 宇宙飞册重返大气层时与大气高速摩擦在其表面产生高达1 6 5 0 c 左右的温度； 可飞行1 0 0 次的轨道飞行器在起飞和重返期间必须承受的最高温度是1 4 5 0 1 6 5 0 ，在机头和机翼前面边缘，用碳纤维增强的s i c 基复合材料既可耐高温磨损又可 防止氧化1 1 3 1 4 】 2 、热机 s i c 陶瓷交出的高温强度、高硬度和热稳定性能导致它优良的高温耐磨性能、抗 高温气蚀和冲蚀性能，在2 5 1 0 0 0 都具有良好的机械性能和优异的摩擦磨损特 性，s i c 陶瓷可应用于制造大功率高温发动机的部件，如燃汽轮机的密封部件、高 温滑动轴承、发动机的活塞环和气缸壁等1 1 3 l 。 s i c 及其复相陶瓷高温睁擦学特性的研究 表1 3s i c 及其复相陶瓷的功能及应用1 3 6 8 9 1 5 】 ：翌! ! ! ! ：! ! ! ! 生! 型! ! ! ! ! ! 1 2 业! ! ! 竺! ! ! 墅曼! 型! ! ! ! ! 竺! 窭! ! 功能部件品名( 或主要用途) 表1 4s i c 及基其复相陶瓷在工业领域中的应用【3 9 1 5 1 t a b l e l 4t h ea p p l i c a t i o n so fs i ca n di t sc o m p o s i t e si ni n d u s t r i e s 3 、切削和研磨砂轮用磨料 对磨料性能的主要要求是高硬度或至少比被加工的材料具有更高的硬度，并且 湖南大学研究生院博十学衍论文 自身要耐磨。加工金属通常用s i c 砂轮，s i c 颗粒用粘结荆粘结在一起，粘结料受 到破坏时，内部的s i c 颗粒会提供新鲜的尖锐咱勺切割表面。 陶瓷刀具是用于切削难于机加工材料的高速切削刀具。桑可正报导了 s i c w a 1 2 0 3 是加工镍基高温合金的理想刀具1 1 6 j ：邓建新和艾兴研究了 a 1 2 0 3 t i b s i c w 陶瓷刀具加工镍基合金的磨损性能【1 1 ；张树生和李兆前报导了新型 陶瓷刀具a p w ( a h 0 3 s i c 。s i c o ) 的切削性能，它在加工不锈钢、高速湿切削高温 镍基合金i n c o n e l 7 1 8 中表现了良好的切削性能【”j 。文献1 1 1 报导了s i c w 增韧s i 3 n 4 陶瓷刀具在高速磨削应用上取得良好效果。 1 2s i c 陶瓷的摩擦学性能 前人关于s i c 陶瓷摩擦学性能的一些研究结果见表1 5 。从表1 5 不难发现，对 s i c 陶瓷摩擦学性能的研究主要集中在考察摩擦环境参数对s i c 及其复相陶瓷摩擦 表1 5s i c 及其复相陶瓷摩擦磨损性能研究概况 t a b l e l 5s u m m a r i z a t i o no fs o m es t u d i e so nt r i b o l o g yo fs i ca n di t sc o m p o s i t e s 注；a 雕擦磨损性能；b 悖擦表面形貌分析；c 摩擦碎屑组成分析；d 一摩擦化学；e 一摩擦 表面热分析；f - 摩掾磨损机理；g 磨损图。 学性能的影响，而对s i c 陶瓷磨损形式转变和机理的研究较少，特别是关于s i c 磨 损动力学和热力学的研究几乎没有报道。作为s i c 陶瓷高温摩擦学特性的系统研究 s i c 及其复相陶瓷高温垮撩学犄性的研究 至少包含以下几方面： ( 1 ) 系统地研究摩擦环境参数对s i c 陶瓷高温摩擦磨损性能的影响； ( 2 ) 在磨损机理的研究中，还应考虑表面摩擦热对实际摩擦温度的影响； ( 3 ) 根据高温摩擦磨损机理指导高温耐磨s i c 陶瓷及其复合材料的设计。 1 2 1 摩擦环境参数对s i c 陶瓷摩擦磨损性能的影响 摩擦环境包括对偶摩擦副所处的环境介质、温度、运动形式和受力情况，这些 环境参数常用环境温度、摩擦速度、摩擦里程、载荷和介质等参数表示。表1 6 所 示为环境参数对s i c 陶瓷摩擦磨损性能的研究。 表1 6 环境参数对s i c 陶瓷摩擦磨损性能的影响 t a b l e l 6e f f e c t se n v i r o m e n t a lc o n d i t i o n so nt h et r i b o l o g i e a lp r o p e r t i e so fs i c 材料文献对偶摩擦环境参数摩擦因数磨损，m m 。 材料 ( n m ) 。1 s i c 1 9 ，2 0 1 自对偶2 5 1 2 0 0 c ，0 2 m s ，0 1 5 0 95 - 5 0x1 0 4 ，0 4 1 2 m p a ，空气中 s i c 【3 9 】 s i 3 n 4 2 5 3 0 0 ，5 0 0 m ，1 0 n ，0 0 2 0 31 0 一8 1 0 1 。 o 1 1 0 8 m s ，有润滑 s i c 【3 8 铸铁 2 5 1 2 0 0 。c ，o 1 0 2 n ，空0 4 1 01 矿1 0 4 。 气或3 0n p a 真空， 烧结 【2 9 】 自对偶0 5 5 5 m s ，2 2 5 n o r 0 4 41 2 3 1 0 。4 5 0 n ，2 5 ( 2 ，空气中 a 】l s i s i c 2 9 1 自对偶0 5 5 - 5 m s ，2 2 5 4 5 0 n ， o 2 0 。0 4 98 6 1 0 5 。 2 5 ，空气中 s i c 【3 0 】s i 3 n 45 0 n ，4 0 0 r p m ，1 5 0 0 0 m ，0 6 0 8 1 3 8 1 0 。4 空气中，2 5 s i s i c 【1 5 】自对偶2 5 1 0 0 0 c 空气，0 , 2 0 8一 s i c 【3 2 w c s i c 【3 7 a 1 2 0 3 s i c 【3 3 自对偶 4 5 n m m 一1 ，2 5 2 6 0 c 有 润滑，1 8 巧4 m s 1 2 5 1 0 0 0 c ，空气中 2 5 v 3 0 0 c ，0 1 m p a ，d 润滑，o 1 1 0 8 4 m s 。1 0 3 0 6 0 7 0 1 一o 3 3 1 0 7 1 0 5 _ 1 0 8 注：s i