（机械设计及理论专业论文）网络互穿结构高温自润滑复合材料的熔渗复合动力学研究.pdf

s t u d yo ni n f i l t r a t i o na n ds y n t h e s i s i o nk i n e t i c so fh 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 nc o m p o s i t e sw i t ha n i n t e r p e n e t r a t i n gn e t w o r k s b y w a n gb i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f z h a o f a n ga n dw a n g y a nj u n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 2 原创性声明 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 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 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 法律责任由本人承担。 论文储虢砣认 b 爵j 9 f 6 箩。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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 和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学 位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 弓双 |导师签名嬲日期：加n ，7 痧7 秒 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 高温自润滑复合材料概述】 1 2 1 高温自润滑复合材料的概况l 1 2 2 高温固体自润滑复合材料的制备技术4 1 2 3 高温自润滑材料的发展趋势5 1 3 熔渗复合技术5 1 3 1 熔渗工艺概况5 1 3 2 熔渗动力学理论概况一6 1 4 多孔介质熔渗过程的数值模拟现状7 1 4 1 有限元概述8 1 4 2 多孔介质熔渗过程的有限元模拟概况8 1 5 选题的目的和意义一9 1 6 课题研究主要的内容1 0 第二章熔渗过程的理论分析1l 2 1 引言1l 2 2 真空压力熔渗工艺分析11 2 3 熔体熔渗机理l2 2 4 熔渗过程的热力学分析1 4 2 5 熔渗过程的动力学分析1 5 2 6 熔渗过程的影响因素分析1 7 2 6 1 熔渗压力和熔渗时间的影响1 7 2 6 2 熔渗温度和润湿角的影响1 9 2 7 本章小结2 0 第三章熔渗过程的数值仿真分析一2 1 3 1 引言21 3 2 多孔介质及其数学模型2l 3 2 1 多孔介质烧结过程2 1 网络互穿结构高温自润滑复合材料的熔渗复合动力学研究 3 2 2 多孔介质孔隙的数学模型2 3 3 3 熔渗过程的本构方程2 5 3 3 1 熔渗连续介质模型2 5 3 3 2 液态金属的物理性质2 6 3 3 3 连续方程2 7 3 4 熔渗数值模拟2 8 3 4 1 a n s y s 对多孔介质的处理2 8 3 4 2 仿真模型的建立2 9 3 4 - 3 仿真计算及结果后处理31 3 5 本章小结3 3 第四章试验验证和仿真结果分析3 5 4 1 实验3 5 4 1 1 实验原料3 5 4 1 2 实验设备3 5 4 1 3 试样的制备3 6 4 1 4 物理机械性能表征3 7 4 2 实验结果与仿真结果对比分析3 7 4 3 熔渗工艺参数4 0 4 3 1 熔渗压力4 0 4 3 2 熔渗温度4 4 4 4 本章小结4 5 第五章熔渗工艺的优化4 7 5 1 引言4 7 5 2 正交试验表的设计4 7 5 3 正交试验方差分析4 8 5 4 本章小结5 2 第六章结论与展望一5 3 6 1 主要工作雨i 结论5 3 6 2 论文创新点5 4 济南大学硕士学位论文 6 3 展望5 4 参考文献一5 5 致谢一5 9 附录6 1 网络互穿结构高温自润滑复合材料的熔渗复合动力学研究 l v 济南大学硕士学位论文 摘要 熔渗复合法是制备特殊工况条件下应用的高性能复合材料的重要方法之一。 其工艺是将熔融状态金属或合金熔液借助外压力或毛细管力作岗熔渗入微孔预 制体的孑l 隙中，以制备高性能的复合材料。本文通过熔渗法制备网络白：穿结构高 温自润滑复合材料的熔渗复合动力学的理论分析和数值模拟，完善了低孑乙隙度微 孔预制体的熔渗理论，并建立熔渗工艺参数的优化机制。 基于对熔融固体润滑剂与微孔预制体在真空压力条件卜的熔渗机理和熔渗 工艺的分析，建立了低孔隙度微孔预制体的熔渗复合动力学模型，并分别从热力 学和动力学角度出发建立了熔渗深度和熔渗量与熔渗工艺参数之问的关系表达 式，以研究熔渗压力、熔渗时问、熔渗温度和润湿角对熔渗量的影响。结果表明， 熔渗速度和熔渗量与熔渗压力p 的l 2 次方成正比，熔渗速度与熔渗时问t 的1 2 次方成反比，熔渗温度对熔渗速度和熔渗量的影响主要是因为温度引起熔渗液的 表面张力、粘度以及与固相澜湿角的变化。 通过粉末烧结制备多孔材料的成型工艺及其孔隙演化机制分析，建立了微孔 预制体的孔径分布函数。引入连续介质和分布阻力的概念，根据预制体的连续介 质模型，通过对渗透率和孔隙率的分析，计算出压力损失系数，并将其以分布阻 力的形式赋予多孔连续介质，使微孔预制体的微观孔隙从实质上影响熔渗液的渗 流，从而建院有效的a n s y s 仿真模型，并以6 0 p b 4 0 s n 熔渗t i c f e c r w m o v 系 微孔预制体为例验证了模型的正确性。 真空压力熔渗过程的数值分析及其仿真模拟结果表明：熔渗温度不变的前提 下，不同熔渗压力条件下的熔渗速度和熔渗量与时间的变化曲线的趋势相同，熔 渗前期，随着熔渗压力的增加熔渗速度和熔渗量的增加比较明显，随着熔渗的继 续进行，压力的增大引起的熔渗速度和熔渗量的增加值减少，到熔渗后期熔渗速 度逐渐的趋于零。在一定的温度下熔渗压力大于一定值( 临界压力) ，复合材料 的熔渗量趋于常数。通过分析比较得到6 0 p b 4 0 s n 复合固体润滑剂熔渗t i c f e c r w m o v 系合金微孔预制体时，4 0 0 。c 、5 0 0 、5 5 0 和6 0 0 温度下的临界 压力分别为7 m p a 、6 m p a 、5 5 m p a 、4 5 m p a 。 基于真空压力熔渗过程的数值分析及其仿真模拟的结果，结合各熔渗工艺参 数之间的交互作用因素，采用正交表进行试验组合设计和仿真计算，并对结果进 网络互穿结构高温自润滑复合材料的熔渗复合动力学研究 行方差分析、验证，确立了真空压力熔渗法制备高温自润滑复合材料时，熔渗工 艺参数( 熔渗温度、熔渗压力和熔渗时间) 的选取原则及其优化机制。 关键词：高温白润滑复合材料；熔渗动力学；数值模拟；微孔预制体；真空 压力熔渗 v i 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n f i l t r a t i o nm e t h o di st h ei m p o r t a n tw a ym a k i n gh i g hp e r f o r m a n c ec o m p o s i t e s ， t h ei n f i l t r a t i n gp r o c e s si sf a b r i c a t e dt h ec o m p o s i t e st h r o u g ht h a tt h em e t a lo ra l l o yi n t h em e l t i n gc o n d i t i o ni n f i l t r a t e st h em i c r o p o r o u sp e r f o r m b ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n o nt h ei n f i l t r a t i o n p r o c e s s o ft h e h 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 nw i t h i n t e r p e n e t r a t i n gn e t w o r ks t r u c t u r em a k i n gb yi n f i l t r a t i o n ，t h ep a p e rb u i l d st h e i n f il t r a t i o nk i n e t i c sm o d ea n di m p r o v e st h ei n f il t r a t i o nt h e o r yo ft h ep e r f o r mw i t ht h e l o wp o r o s i t y t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e dt h eo p t i m i z a t i o nm e c h a n i s mo ft h ei n f i l t r a t i o n p a r a m e t e r s t h i sa r t i c l eb u i l tt h ei n f i l t r a t i o nk i n e t i c si nt h el o wp o r o s i t yp e r f o r m ，t h r o u g h a n a l y s i so nt h ei n f i l t r a t i o nm e c h a n i s mo ft h em e l t i n gs o l i dl u b r i c a n ti n f i l t r a t i n gt h e p o r o u sp e r f o r mi nv a c u u mp r e s s u r ec o n d i t i o n t h ee x p r e s s i o n so ft h ei n f i l t r a t i o n d e p t ha n da m o u n tw e r ee d u c e d ，b a s i n go nt h ek i n e t i c sa n dt h et h e r m o d y n a m i c t h e e f f e c t so ft h ei n f i l t r a t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s so nt h ei n f i l t r a t i o np r o c e s sw a s a n a l y z i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n f i l t r a t i o nv e l o c i t y a n dt h ep o w e ro f0 5i n f i l t r a t i o np r e s sw a sd i r e c tr a t i oa n dt h ei n f i l t r a t i o nv e l o c i t yw a s i n v e r s er a t i ot ot h ep o w e ro ft h e0 5i n f i l t r a t i o nt i m e t h ei n f i l t r a t i o nt e m p e r a t u r e i n f l u e n c eo nt h ei n f il t r a t i o np r o c e s s ，t h em a i nr e a s o nw a st h a tt h ev a r i a t i o no ft h e s u r f a c ei n t e n s i o na n dt h ev i s c o s i t yo f t h em o l t e nm e t a lc a u s i n gb yt e m p e r a t u r e t h ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o no ft h ep o r eo ft h ep o r o u sp e r f o r mw a so b t a i n e d ，b a s i n g o nt h ef o r m p r o c e s s o ft h e p o w e rs i n t e r i n gp o r o u s m a t e r i a l b e c a u s et h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ep o r o u sp e r f o r mw a sc o m p l e x ，i tw a sd i f f i c u l tt ob u il dt h em o d e l o ft h ea c t u a lt h r e e d i m e n s i o n a l t oo v e r c o m et h i s ，t h ea c t u a lm i c r os t r u c t u r eo ft h e p o r o u sp e r f o r mw a si g n o r e da n dt h ei n f i l t r a t i o np r o c e s sc o u l ds i m u l a t ei n s t a t i s t i c s t h es p a c et h a tt h es u b s t r a t ef r a m e w o r kw a s n tt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h es u b s t r a t e w a se n d o w e dw i t ht h ep o r o s i t y , t h ee f f e c t i v ep o r ed i a m e t e ra n dt h ep r e s s u r el o s s c o e f f i c i e n t ，s ot h ea c t u a lm i c r o s t r u c t u r eo ft h ep e r f o r mc o u l dh a v ee s s e n t i a li n f l u e n c e o nt h ef l u i df i e l d t h ee f f e c t i v es i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l t ，a n dv e r i f i e db yt h e e x p e r i m e n tw h i c h6 0 p b 4 0 s ni n f i l t r a t e dt i c f e c r w m o v v i i 网络互穿结构高温自润滑复合材料的熔渗复合动力学研究 t h ei n f i l t r a t i o np r o c e s sw a ss i m u l a t e d ，t h ev a r i o u sc u r v e so ft h ei n f i l t r a t i o n a m o u n ta n dv e l o c i t yw e r eo b t a i n e di nt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e t h e s e c u r e sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec h a n g i n gt r e n d e n c yo f t h ei n f i l t r a t i o na m o u n ta n d v e l o c i t y w e r es a m ei nt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r e t h ee a r l i e rs t a g eo ft h e i n f i l t r a t i o n ，t h ei n c r e a s i n ga m o u n to ft h ei n f i l t r a t i o na m o u n ta n dv e l o c i t yw a sl a r g e w i t ht h ep r e s s u r ei n c r e a s i n g w i t ht h ei n f i l t r a t i o nc o n t i n u i n g ，t h ei n c r e a s i n ga m o u n to f t h ei n f i l t r a t i o na m o u n ta n dv e l o c i t yc a u s e db yt h ep r e s s u r ew a sl e s s t i l lt h el a t e r s t a g e ，t h ei n f i l t r a t i o nv e l o c i t yt e n d e dz e r oa n dt h ei n f i l t r a t i o nt e n d e df i x e dv a l u e b u t t h ef i n a li n f i l t r a t i o na m o u n tw a s e q u a l ，o n l yt h ep r e s s u r ew a su pt h ev a l u ew h i c hw a s t h ec r i t i c a l p r e s s u r e t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n dt h ea n a l y s i so nt h ei n f i l t r a t i o n p r o c e s s ，t h ec r i t i c a lp r e s s u r e so ft h et e m p e r a t u r ea t4 0 0 。c 、50 0 。c 、550 a n d 6 0 0 。c ，w e r e7 m p a 、6 m p a 、5 5 m p a 、4 5 m p as e p a r a t e l y t h eo p t i m i z a t i o nm e c h a n i s mo ft h ei n f i l t r a t i o np a r a m e t e r sw a sb u i l tw i t ht h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n t h ef a c t o r sc o m b i n a t i o nw a sc o n s i d e r e dw h e nt h e e x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e d t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt a b l ew a sc h o s e t h e r e l a t i o n s h i po ft h ei n f i l t r a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r si n f l u e n c i n go nt h ei n f i l t r a t i o nw a s d i s c o v e r yb yt h ev a r i a n c ea n a l y s i so nt h er e s u l t t h eo p t i m a li n f i l t r a t i o nt i m ep r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r ew a sd e t e r m i n e d k e yw o r d ：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 nc o m p o s i t e s ；i n f i l t r a t i o nk i n e t i c s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h em i c r os t r u c t u r eo ft h ep o r o u sp e r f o r m ；v a c u u m p r e s s u r e i n f il t r a t i o n v l i i 济南大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 _ i ：业化牛产中工件材料之间的摩擦磨损是普遍存在的现象。摩擦磨损消耗了 大量的资源，据世界摩擦协会统计，1 3 的一次性能源被摩擦消耗，相当于损失 国民g d p 的1 。各国学者为降低摩擦，减少能源的消耗研究出了很多减摩剂。 中国早在春秋时期已经用动物脂肪来做车轴的润滑剂，有诗经邶风泉水诗 句“载脂载荤，还车言迈”为证。西晋张华所著博物志是最早记载用矿物油 作润滑剂。但是润滑剂的研究进展缓慢，一直到近代工业革命之后，润滑剂的研 究才得到飞速的发展，润滑剂被大量应用于：l ：业生产中。最早的润滑理论是英国 的o - 雷训1 于1 8 8 6 年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。 之后人们研究出了很多种润滑剂如润滑油、润滑脂和固体润滑剂等。 随着科学技术的发展，传统的润滑剂已经不能满足：l ：业生产的要求，特别 是在1 9 世纪5 0 年代人类进入宇宙时代以后，在军工和航空航天领域，对润滑剂 提出苛刻的要求，既要求能够适应高温、高载和强腐蚀等恶劣的工况下，又要求 其在较宽的温度范围具备良好的低温启动性，传统的润滑剂很难满足其要求。 为了解决上述问题，固体白润滑材料逐渐取代传统的润滑方式，在一些特殊 领域得到应用。固体自润滑材料就是在相对运动的摩擦面上产生氧化膜或润滑剂 薄膜从而隔离两摩擦副表面，起到降低摩擦的作用，目前固体白i 1 7 滑材料已成为 摩擦学研究的热点，关于固体自润滑材料的摩擦机理和应用的研究得到了飞速的 发展，设计制备的新方法和新工艺不断的完善。 1 2 高温自润滑复合材料概述 1 2 1 高温自润滑复合材料的概况 高温固体自润滑复合材料一般是由基体相和润滑相等按照一定比例和组成 原则，经过相应的制备工艺而制备成的特殊的复合材料。高温固体自润滑复合材 料的特点主要表现在以下几个方面： 网络互穿结构高温自润滑复合材料的熔渗复合动力学研究 ( 1 ) 较小的摩擦系数和较好的耐磨性能； ( 2 ) 与负荷相适应的承载能力； ( 3 ) 高温下的抗氧化稳定性； ( 4 ) 良好的导热性和最佳的热膨胀系数； ( 5 ) 在真空或各种特殊环境气氛中工作的适应能力 目前工程上应用的高温自润滑材料主要分为金属基自润滑材料、自润滑合金 和自润滑陶瓷等三大类。金属基高温自润滑材料的制备侧重于基体合金化、多组 元化和弥散强化；自润滑合金是通过对合金各组元的成分和合成方式进行调整和 优化，使合金在工作过程中摩擦副表面产生氧化物膜从，而起到降低摩擦的作用。 自润滑合金的摩擦学性能主要取决于氧化膜的特性；自润滑陶瓷是借鉴结构陶瓷 的配方，对润滑相进行复配，利用一定的工艺制备而成的。 金属基白润滑复合材料是以具有良好的机械性能金属或合金为作为基体，把 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。其 中合金基体起到承载负荷和粘结润滑相的作用，固体润滑剂起降低摩擦的作用。 金属基自润滑复合材料具有良好机械性能和摩擦学性能，可以应用于不同的人气 氛围、化学条件和温度环境等特殊工况下 2 】o 常用的基体有高熔点金属和耐热合 金等，高熔点金属如w 、m o 、n b 及t a 等和耐热合金( n i c r 基合金) 。镍基高 温合金及钴基高温合金等作为基体材料在真空中等特殊工况下都有良好的使用 效果。目前，研究合金基体的摩擦学设计很少。s l i n e y t m 采用c a f 2 、b a f 2 与银作 为润滑剂制备在从室温到9 0 0 。c 范围内具有良好的摩擦学性能的复合材料。欧阳 锦林等【4 采用银与石墨作为材料的固体润滑剂，制备的摩擦部件在1 0 0 0 。c 下具有 良好的摩擦学性能。金属基自润滑复合材料的性能取决于基体材料的特性、润滑 相的特性和分布以及复合材料的合成方式。 p e t e r s o n 5 】等通过对自润滑合金在摩擦过程r f l 自生成氧化物膜的高温摩擦学 特性进行系统的研究，并在q u i n n t 6 】研究的基础上提出氧化物膜产生及其形成有 效润涓的条件是：( 1 ) 氧化物膜的厚度在0 0 5 1l am 之问；( 2 ) 磨损速率小于氧 化速率；( 3 ) 氧化物膜软且有延性；( 4 ) 氧化物的摩尔体积比金属的小；( 5 ) 非磨粒 性；( 6 ) 慢氧化慢磨损型：( 7 ) 因磨损失效而非疲劳或断裂失效：( 8 ) 氧化物由双扩 散形成；( 9 ) 热膨胀系数匹配；( 1 0 ) 在金属氧化物界面存在滑移；( 1 1 ) 形成低熔点 济南大学坝士学位沦) ( 玻璃态氧化物。据此，p e t e r s o n 等 7 】对n i c u r e 等铸造合金的自生氧化物膜的摩 擦学特性研究，发现通过调整和优化合金的成分，利用摩擦表面的自牛氧化膜提 高材料的摩擦学性能。目前很多学者都埘自润滑合金进行了大量的研究，阚存一 等【8 】通过在n i c r 合金中添加活性元素s ，利用其与合金元素反应生成不定比化 合物并促进了合金元素的氧化，进而改善合金的摩擦学性能。王莹等 9 】利用粉末 冶金法制备n i c 卜s 系合金，并对其合金组元进行改进，消除了铸造法中产生的 宏观缺陷，降低了偏析，得到了高强度的自润滑合金，并对其润滑机理进行了研 究，发现s 与基体组元反应生成的多种硫化物，起到了润滑的作用。白润滑合金 由于其优良的机械性能和制备工艺成熟，目前已经有很多应用于工程领域，主要 的自润滑合金商品为自润滑轴承、滑块、垫圈、阀门、轴和齿轮等。 自润滑陶瓷复合材料是一1 种新型结构陶瓷白润滑材料，以陶瓷为基体，金属 或合金为粘结相，润滑剂为润滑相通过一定的工艺合成，从而实现强度、韧性和 摩擦性能的统一。其不但具备陶瓷的优良性能如高硬度、高强度、高刚度及高温 力学性能，而且由于金属相提高了材料的韧性 1 0 。 陶瓷材料本身具备具备良好的机械性能和摩擦学性能，但是其在高温下磨损 率和摩擦系数很蒯。如a 1 2 0 3 陶瓷在室温下摩擦系数一般在0 2 0 4 之间， 磨损率为1 0 - 6 r a m 3 n m 。但在4 0 0 。c 以上时其摩擦系数达到1 5 ，而磨损率上升2 个数量级，达到1 0 - 4 m m 3 n m 左右。s i ，n 。陶瓷同样有类似的性能，从室温到6 0 0 其摩擦系数由0 2 上升到1 0 ，其磨损率也从1 0 。m m 3 n m 增加到1 0 - 3 r a m 3 n m 。 z r o ：陶瓷也有类似性能，其在较低的载荷和低速度下，摩擦系数和磨损率都比 较小，但是当在高的负载和高的工作温度下时，摩擦系数可达到0 7 1 7 ，随温 度的升高磨损率则增大3 个数量级。叫。以通过往结构陶瓷中加入润滑相改变其高 温下的摩擦学性能，m i m a r o g l u 1 2 1 通过把少量c r 2 0 3 和s i 0 2 添；d l i 习j 氧化铝陶瓷中， 使其6 0 0 。c 时磨损率从1 0 3 m m 3 n m 降到1 0 - 8 m m 3 n m ；o u y a n gj h 用a g 和 c a f 2 作为润滑相，以z r 0 2 陶瓷基体，制备了从室温到8 0 0 范围内表现出良好 摩擦性能的高温白润滑陶瓷。白润滑陶瓷复合材料虽然其摩擦性日- 4 匕c 和韧性有所提 高，但其机械性能要比结构陶瓷差。十静波【1 4 】等在研究n i w c 。p b o 系自润滑金 属陶瓷的高温摩擦学特性时，发现往复合材料中加入p b w o 。，材料的高温摩擦 学性有了较大的提高，但其机械性能要比原材料差。 蚓络互穿结构尚温自润滑复合材料的熔渗复合动力学研究 总上所述，将固体润滑剂作为组元加入到基体中制备高温自润材料，总要求 在材料的机械能和摩擦学性能之间妥协，以制备具备要求自润滑性能的复合材 料。如何制各强度和润滑性能统一一的材料是今后研究的重点。 1 2 2 高温固体自润滑复合材料的制备技术 随着复合材料的制备技术的发展，高温自润滑材料也得到了飞速的发展。现 在主要制备方法是粉末冶金【1 5 】，近几年很多学者利用粉末冶金方法制备具有良 好性能的高温白润滑材料 1 6 】。a s h i sk u m a rd e y 等【1 7 1 采用p i d 控制高温马弗炉烧 结制备了z t a 高温固体自润滑复合材料，研究了其在高温下的摩擦磨损性能； s g u p t a 等【1 8 】采用无压气氛保护烧结制备了t a 2 a 1 c a g 和c r z a i c a g 高温固体 自润滑复合材料，其在2 5 - 5 5 0 。c 下可以形成完整有效的自润滑保护膜。韩杰胜 等 1 9 】采用热压烧结法制备了f e m o ( m o s 2 p b o ) 复合材料，实验表明其在6 0 0 。c 下有良好的白润滑性能。高温烧结工艺简单，制备的高温白润滑材料性能优越， 得到了广泛的应用。但是高温烧结材料的制备过程中，由于润滑相是作为组元加 入到金属或合金基体中，高温烧结使固体润滑剂发生氧化或烧损丧失其部分润滑 性，导致复合材料在摩擦过程中接触表面润滑剂的析出减少，降低了复合材料的 摩擦学性能【2 0 - 2 1 】。同时由于高温烧结的工艺特性很难控制润滑相在基体中分布， 容易造成润滑相的分布不均匀，导致基体材料的连续性被破坏从而影响复合材料 的强度和韧性 2 2 1 。 为了解决烧结材料的缺陷，很多学者基于烧结工艺的基础，运用熔渗技术而 制备高温白润滑材料。熔渗法是将熔融状态的固体润剂浸渗到多孔基体中。 a g a n g o p a d h y a y 等通过对陶瓷钻孔并在把石墨和六方b n 浸入孑l 中，制备的自 润滑复合材料的摩擦系数低至0 1 7 。王振生等【2 4 】采用真空感应熔炼法制备了 n i a i 2 8 c r 5 6 m o 一0 2 5 h o 0 1 5 h f 共晶合金高温固体自润滑复合材料，其在7 0 0 - 9 0 0 。c 下表现出优异的自润滑耐磨特性；桑可正等通过熔融氟化物和镍熔渗多 孔s i c 陶瓷制备了两种高温自润滑陶瓷复合材料，复合材料都在6 0 0 。c 下拥有优 良的自润滑性。文献 2 6 采用无压熔渗技术制备了a i ( m g ) a 1 2 0 3 网络结构复合材 料，研究了复合材料密度和孔径火小对其摩擦磨损性能的影响；文献 2 7 2 8 采用 无压熔渗法制备了s i c p c u 网络结构复合材料，研究了孔隙度对其摩擦磨损性能 的影响；文献 2 9 采用真空熔渗将熔融c u 渗入到c c 坯体中制备c c c u 复合材 4 济南大学硕士学位论文 料，研究了其摩擦磨损性能。这些研究主要着眼于复合材料的空问结构设计，使 基体与增强相在整个材料中形成各自的三维连续网络并且互相缠绕，以期实现机 械强度、韧性和摩擦磨损性能的最佳综合。 综上所述，熔渗法制备的高温自润滑材料可以避免高温烧结工艺的缺陷，复 合材料中基体相与润滑相互相贯穿成网络结构，避免了复合材料中润滑相的分布 不均匀引起的材料缺陷 3 0 - 3 1 】。 1 2 3 高温自润滑材料的发展趋势 高温自润滑材料的机械性能是由基体材料决定，而其摩擦学性能主要取决于 复合材料在摩擦磨损过程接触表i 面润滑剂的析出和润滑膜的特性3 2 1 。基体材料 r 卜润滑相过多或分布不均匀必然会影响基体材料的机械性能，但润滑相的多少与 其析出和润滑膜的形成有直接关系，这就决定了复合材料必然在机械性能和摩擦 性能之问妥协。因此，如何制备机械性能和摩擦学性能相统一的复合材料是研究 自润滑材料的重要方向。 制备基体材料时，由于工艺条件和特性导致了微孔预制体内部存在着少量闭 孔，造成在熔渗法制备复合材料过程中，熔融固体润滑剂不能够完全填充基体； 另一方面，熔渗过程中由于润滑相在多孔基体中渗透均匀性不好，复合材料容易 有气孔缺陷，造成较高的残余孔隙度，且生产时间长，这些都给实际应用带来了 困难。凶此，如何完善熔渗复合技术对制备高温白润滑复合材料至关重要。 1 3 熔渗复合技术 1 3 1 熔渗工艺概况 熔渗法是制备复合材料的先进方法，熔渗法制备的复合材料避免了铸造和烧 结工艺的材料缺陷。目前国内外很多学者利用熔渗法制备高性能的复合材料。陈 国钦等 3 3 】通过熔渗法制备了s i 3 n 4 p 2 0 2 4 a ! 复合材料，经试验表明复合材料具备 良好的机械性能、热物系数和良好的尺寸稳定性。刘冠伟等 3 4 阐述熔渗技术制 备功能陶瓷的研究概况。熔渗工艺不但成型灵活、成本低廉，而且熔渗法制备的 复合材料具有良好致密性、复合成型结构优良和理想的界面结构等优点，所以熔 渗工艺被广泛的应用于复合材料的制备和牛产中，同时熔渗技术也被用于材料的 网络互穿结构高温自润滑复合材料的熔渗复合动力学研究 缺陷弥补【3 5 】。 熔渗工艺是将熔融状态金属或合金熔液在外压力或毛细管效应等作用下熔 渗入预制体的多孔孑l 隙中制各复合材料。所以按照熔渗过程中的加压方式，可以 分为白发熔渗( 无压熔渗) 、压力熔渗和真空压力熔渗( 负压熔渗) 。自发熔渗即 无压熔渗，其前提条件液相与固相具有良好的润湿性，由毛细管力的作用使液相 熔渗入基体孔隙中。自发熔渗最早是1 9 8 6 年美国l n x a d i e 公司在制备复合材料 a 1 2 0 3 a i 提出，是在直接氧化的基础上对工艺的改进。现在很多学者利用自发熔 渗制备性能优良的复合材料。姜旭峰【3 6 1 等研究了无压熔渗制备高体积分数的 s i c p a l 复合材料的熔渗工艺参数的材料性能的影响，熔渗温度和熔渗时问对复 合材料的性能有显著影响。杨亮【3 7 】等采用无压熔渗制备s i c c u a i 复合材料，s i c 的体积分数为7 0 ，通过s e m 和x r d 分析复合材料相结构和形貌，表明熔渗 温度8 5 0 ，熔渗时间3 h 条件下制备的复合材料致密度好并且无明显气孔缺陷。 压力熔渗是美国铝业公司开发的复合材料制备技术，制备s i c a l 复合材料， 因其成本低、性能好等优点，取得了很大的商业成功，广泛应用于电子封装材料。 梁策吲等利用压力熔渗技术制备了网络互穿结构的t i a l 复合体，实验表明制备 的t i a l 复合材料具有良好的变形能力。压力熔渗的工艺特点为熔渗过程预制体 保形性良好，熔渗相分布均匀，工艺简单。但是当熔渗相和预制体之间的润湿性 能不好时，复合材料容易产生气孑l 、致密性差等缺陷。 负压熔渗也称为真空压力熔渗是在压力熔渗的基础上进行的改进，在熔融金 属或合金液熔渗预制体前，先抽真空，这样避免了在熔渗过程中的孑l 隙内气体反 压力，让熔渗相更加容易填充满预制体孔隙。真空压力熔渗对熔渗相和基体润湿 性要求低，克服了自发熔渗禾i 压力熔渗的缺点，应用更加“泛。徐志峰【3 9 采用 真空压力熔渗制备了s i c p a 1 复合材料，通过对熔渗过程的实验观察，表明真空 压力下熔渗相在预制体孔隙中有良好渗流。这样避免复合材料的气孔缺陷。胡锐 m 等在真空条件用液态c u 熔液熔渗入石墨预制体中制备石墨铜基复合材料，并 分析熔渗工艺参数对液态c u 熔液的渗流的影响。 1 3 2 熔渗动力学理论概况 熔渗动力学是基于渗流力学产生，是研究熔渗法制备复合材料的理论基础。 最早的渗流力学是应用于地质学和水利等学科，研究土壤岩石中水的渗流和石油 6 济南大学硕士学位论文 在岩石中的渗流。长期以来，渗流力学在地质和水利等学科取得了的飞速发展， 不仅有系统的数学理论，并且有精确的数值模拟方法 4 1 - 4 2 】。 随着材料制备技术的发展，传统的渗流力学理论不能很好的解决熔渗法制备 复合材料过程中液相在基体中的渗流，主要是因为熔渗过程中的液相渗流和地质 力学中的渗流有很大区别。熔渗过程是在高温条件下，而且其渗流非常复杂，熔 渗的过程与液体物理特性、熔渗工艺、基体和液相的润湿性、基体的孔隙特性等 因素相关，并且在液固界面可能有界面反应的存在。国内外很多学者对熔渗动力 学进行了大量研究，于家康等 4 3 - 4 4 1 研究了液相沿连续纤维的横向和纵向渗流过 程的熔渗动力学，建立连续纤维的熔渗模型，计算出了横向和纵向的熔渗系数。 黄岳山等 4 5 】研究了真空熔渗法制备短纤维增强金属基复合材料的熔渗过程，提 出其熔渗的动力学模型，并依据模型建立了熔渗时间、熔渗温度、纤维分数的关 系。范志康等【4 6 通过c u w 假两相合金的熔渗参数的实验和理论分析研究， 得到了熔渗时问与钨粉粒径、压坯高度、压坯孔隙率之问的定量关系式。胡 锐4 7 1 研究了o 0 9 8 5m p a 的压力作用f ，铜液浸渗石墨颗粒堆积多孔体的浸渗动 力学过程，分析认为铜液对多孔体的浸渗以紊流方式进行，探讨了浸渗过程中浸 渗速度的变化，润湿角对浸渗的影响。黄金【4 8 从热力学、静力学和动力学的角 度出发，分析了白发熔融浸渗全过程，确立了白发浸渗过程应符合的热力学和静 力学条件，并建立了熔融的动力学模型，理论上确定了浸渗过