碳化硅及其復(fù)相陶瓷高溫摩擦學(xué)特性的研究.pdf

1、SiC陶瓷作為摩擦學(xué)構(gòu)件已獲得廣泛應(yīng)用，關(guān)于SiC的摩擦學(xué)研究已成為當(dāng)前陶瓷摩擦學(xué)研究的熱點之一。與金屬材料相比，人們對陶瓷材料摩擦學(xué)特性的認識還很不充分，有關(guān)SiC陶瓷的高溫摩擦學(xué)性能和磨損機理的研究報道則更少。本文對SiC及其復(fù)相陶瓷的高溫摩擦學(xué)性能、高溫磨損機理進行了較系統(tǒng)的研究。 系統(tǒng)地研究了SiC陶瓷從室溫～1000℃的摩擦學(xué)特性，探討了摩擦環(huán)境參數(shù)(環(huán)境溫度、外加載荷、摩擦速度、摩擦里程和介質(zhì))對SiC陶瓷高溫摩擦系

2、數(shù)、比磨損率(Ws)的影響。當(dāng)溫度為600℃～1000℃、載荷為0．2MPa、摩擦速度在0．2～0．3m／s時，SiC／SiC的高溫摩擦磨損性能較好，自對偶的高溫磨損在空氣中比在真空中大。 通過系統(tǒng)地研究載荷和溫度對比磨損率的影響，首次得出SiC／SiC的高溫磨損圖。該圖分為四個區(qū)：(I+II)區(qū)為嚴重磨損區(qū)，Ws>15×10'Smm3.(N．mm)-1：III區(qū)為中等磨損區(qū)，5×10—8mm3.(N．mm)。

3、．8mm3.(N．mm)～；Ⅳ區(qū)為輕微磨損區(qū)，Ws<5×10-8mm3.(N．mm)-1；不同的磨損區(qū)具有不同的磨損形式和機理，它們在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。 在空氣中，當(dāng)載荷小于0．4MPa和溫度低于400*(2時，SiC／SiC的磨損為輕微磨損，磨損機理由犁削磨損和磨粒磨損控制；隨著溫度的升高，磨損由輕微磨損過渡到中等磨損，磨損機理由粘著磨損控制。當(dāng)載荷大于0．4MPa時，隨著溫度的升高，磨損由中等磨損過渡到嚴重磨損；磨損

4、形式由粘著磨損或磨粒磨損向剝離磨損轉(zhuǎn)化，磨損機理由粘著磨損、磨粒磨損和剝離磨損構(gòu)成復(fù)合磨損控制。 研究了SiC及其復(fù)相陶瓷的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)對SiC陶瓷高溫摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：(1)由于β-SiC試樣的晶粒尺寸比a-SiC試樣的小，顯微結(jié)構(gòu)也更均勻致密，β-SiC及其復(fù)相陶瓷的高溫摩擦學(xué)性能優(yōu)于ct-SiC及其復(fù)相陶瓷；(2)SiC復(fù)相陶瓷中的第二相顆粒(如TiB2)因其“釘扎效應(yīng)”改善了材料內(nèi)部的應(yīng)力分布，并形成彈性

5、橋聯(lián)和摩擦橋聯(lián)，使裂紋擴展途徑偏轉(zhuǎn)，提高了材料的高溫摩擦學(xué)性能。 設(shè)計并制備了SiC-Cf、SiC-WC、SiC-TiC和SiC-TiB2四種具有良好高溫摩擦學(xué)性能的復(fù)相陶瓷。高溫摩擦磨損試驗結(jié)果表明其高溫摩擦系數(shù)和比磨損率比純SiC陶瓷的低，其原因與復(fù)相陶瓷的第二相增強增韌和促進摩擦氧化有關(guān)。設(shè)計組成和結(jié)構(gòu)合理的SiC復(fù)相陶瓷是降低SiC陶瓷摩擦磨損的有效辦法。 采用SEM、TEM、XRD和XPS等現(xiàn)代測試分析技術(shù)，研

6、究了SiC及其復(fù)相陶瓷磨損表面的形貌和物質(zhì)成分的變化；在600℃以上，摩擦表面出現(xiàn)由亞微米級顆粒組成的平滑薄膜層，氧化物的主要成分為無定形Si02。 SiC復(fù)相陶瓷的高溫摩擦化學(xué)反應(yīng)主要是SiC、TiC、WC和TiB2等的摩擦氧化。由于氧化物薄膜層的硬度較SiC陶瓷低，易于產(chǎn)生晶格畸變，摩擦表面具有一定的塑性變形能力，提高了裂紋失穩(wěn)擴展的門檻值，在高溫磨損中起到了很重要的減磨和潤滑作用，使SiC及其復(fù)相陶瓷出現(xiàn)高溫自潤滑現(xiàn)象。門