CN101121605A - 一种高温超导材料在减摩耐磨和润滑方面的用途 - Google Patents

一种高温超导材料在减摩耐磨和润滑方面的用途 Download PDF

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Abstract

一种高温超导材料在减摩耐磨和润滑方面的用途，涉及高温超导材料，将Y2O3、BaCO3、CuO粉末按Y∶Ba∶Cu＝1∶2∶3的原子摩尔比分别称量配比，研磨后高温烧结，烧结温度是900～910℃，烧结时间15～30h，将烧结粉末研磨后，再进行第二阶段的烧结，烧结温度是910～920℃，烧结时间15～30h，反应生成YBa2Cu3O7－δ(Y123)相黑色粉末；银是以金属银粉的形式添加到高温超导YBa2Cu3O7－δ(Y123)粉末中，添加量为5－25wt％，研磨后压样成型，经920℃、2h烧结后，再经450～500℃24h以上吸氧处理，便可制成银添加高温超导钇钡铜氧固体自润滑复合材料。本发明具有优良超导性能、机械性能和摩擦学性能。

Description

一种高温超导材料在减摩耐磨和润滑方面的用途
技术领域
本发明涉及一种高温超导材料，特指金属银Ag添加高温超导YBa2Cu3O7-δ(Y123)固体自润滑复合材料，适用于高/低温、高载荷、真空、强氧化、强辐射等特殊工况的减摩耐磨和润滑方面。
背景技术
八十年代末，J.Krim等人[1-2]提出了摩擦起源于电子和声子理论，并利用石英晶体微天平(QCM)研究了Pb(111)表面的界面摩擦，发现当温度降到Pb的超导转变温度(Tc＝7.2K)时摩擦力突然大幅降低。他们认为摩擦从微观上来源于声子和电子的贡献，在超导态下，材料的电阻为零，电子对摩擦的贡献减小，宏观上表现出摩擦系数大幅降低，纯金属的超导转变温度很低，要在液氦下才能实现超导，而液氦价格昂贵，成本高。从实际应用的角度考虑，超导装置、液体火箭发动机燃料泵中的流量阀、各种端面密封、径向密封以及滑动和滚动轴承等，其中有很多摩擦部件工作在超低温环境下，空间红外探测器的一些机械，机器人的关节和天文望远镜的套筒等，工作环境温度变化很大，要求材料能适应从低温到高温较宽的温度范围。目前低温特性最好的润滑油也只能在-70℃前后使用，在更低温度下因润滑油固化丧失润滑能力而只能采用固体润滑。实际中多采用MoS2和PTFE作为固体润滑剂，但MoS2不耐氧化，在氧化气氛和潮湿环境中的润滑能力大幅下降，PTFE不能承受重载。因此关注极端工况条件下材料的摩擦磨损和润滑问题以及开发新型固体润滑材料是非常必要的。
YBa2Cu3O7-δ(Y123)属于氧化物陶瓷，耐高温，抗腐蚀，高强度，600℃以上高温表现出良好的润滑性能，陶瓷脆性和常温下的润滑性能有待改善。文献[3-4]报道添加金属Ag、Pb等不影响YBa2Cu3O7-δ(Y123)的超导电性，同时可以改善陶瓷脆性。由于高温超导材料YBa2Cu3O7-δ(Y123)的超导转变温度Tc＞90K，液氮温度就可实现超导，液氮是制氧的副产品，与液氦相比用液氮实现超导，使用成本大幅降低(50倍)，因此研究高温超导材料的摩擦学特性有很强的理论意义和实用价值，目前国内外关于研究高温超导材料的摩擦学特性的文章较少，利用银添加高温超导材料YBa2Cu3O7-δ(Y123)固体自润滑复合材料的摩擦学性能的报道还未发现。
[1]Krim J.Surface science and the atomic-scale origins of friction：what once was old and newagain[J]Surface Science，2000，500：741-758.
[2]Dayo A，Alnasrallah，Krim J.Superconductivity-dependent sliding friction[J].PhysicalReview Letters，1998，80(8)：1690-1693.
[3]E.Mendoza，T.Puig，E.Varesi.Critical current enhancement in YBCO-Ag melt-texturedcomposites：influence of microcrack density[J].Physica C，2000，(334)：7-14.
[4]F.H.Li，Z.G.Fan，J.Wang.EFFECTS OF Pb COMPOUND ADDITIVES ON THEPROPERTIES OF YBa2Cu3O7-δ.ACTA METALLURGICA SINICA(ENGLISH LETTERS)，2005，18(2)：145-148.
发明内容
本发明利用粉末冶金法制备出高温超导陶瓷YBa2Cu3O7-δ(Y123)基体中添加金属Ag的复合材料，该材料不仅具有优良超导性能、机械性能，经摩擦学性能测量表明：银添加高温超导材料YBa2Cu3O7-δ(Y123)能有效的降低摩擦和磨损，是一种良好的氧化物基固体自润滑剂复合材料。为了提高YBa2Cu3O7-δ的超导电性，减少晶粒间弱连接，制备银添加YBa2Cu3O7-δ(Y123)复合材料通常是选用Ag2O、AgNO3、或直接用金属银作为添加剂，以Ag2O、AgNO3制备的复合材料中Ag更加均匀分布在基体中，制备工艺复杂，我们制备上述固体自润滑复合材料直接取Ag粉作为润滑组元。
具体方法是：将Y2O3、BaCO3、CuO粉末按Y∶Ba∶Cu＝1∶2∶3的原子摩尔比分别称量配比，研磨后高温烧结，烧结温度是900～910℃，烧结时间15～30h，将烧结粉末研磨后，再进行第二阶段的烧结，烧结温度是910～920℃，烧结时间15～30h，反应生成YBa2Cu3O7-δ(Y123)相黑色粉末；银是以金属银粉的形式添加到高温超导YBa2Cu3O7-δ(Y123)粉末中，添加量为5-25wt％，研磨后压样成型，经920℃、2h烧结后，再经450～500℃24h以上吸氧处理，便可制成银添加高温超导钇钡铜氧固体自润滑复合材料。
其优点在于：银以单质形式主要分布在YBa2Cu3O7-δ(Y123)晶粒的缝隙中，阻碍裂纹产生和传播，能明显消除YBa2Cu3O7-δ(Y123)超导体的微裂纹，改善晶粒间的弱连接和超导体的陶瓷脆性，提高了超导体的载流能力和机械性能。另外，银是一种软金属，是良好的固体润滑剂，由于银是面心立方晶体，没有低温脆性，在低温及超低温环境中完全可以作为固体润滑剂使用。银同高温超导体YBa2Cu3O7-δ(Y123)复合成固体自润滑材料，在摩擦过程中，YBa2Cu3O7-δ(Y123)支承负荷，金属银在对偶的摩擦作用下在表面上形成一层固体润滑膜，使摩擦副不直接接触，达到减摩耐磨的润滑效果。
银添加高温超导钇钡铜氧固体自润滑复合材料具有自润滑性能好，承载能力强和使用温度范围宽的特点。可以适用于各种机械设备，包括航空航天、超导装置和电子工业领域中的设备，处于特殊工况下工作，其中传动部件中的许多摩擦副处于高速、高温或低温、真空和辐射等特殊工况条件下工作，摩擦状况具有特殊性。该材料就是适应各种工况摩擦而产生的特定润滑材料。
具体实施方式
将Y2O3、BaCO3、CuO粉末按Y∶Ba∶Cu＝1∶2∶3的原子摩尔比分别称量配比，研磨后高温烧结，烧结温度是905℃，烧结时间20h，将烧结粉末研磨后，再进行第二阶段的烧结，烧结温度是910℃，烧结时间30h，反应生成YBa2Cu3O7-δ(Y123)相黑色粉末；银是以金属银粉的形式添加到高温超导YBa2Cu3O7-δ(Y123)粉末中，添加量为5-25wt％，研磨后压样成型，经920℃、2h烧结后，再经450℃ 30h吸氧处理，便可制成银添加高温超导钇钡铜氧固体自润滑复合材料。
结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1室温                              表1
  样品编号 Y123含量wt.％ Ag含量wt.％ 不同载荷(N)摩擦系数 不同速度(m/min)摩擦系数
0.49 1.47 2.45 3.43 1.256 2.512 3.768 5.024
  0     100     0  0.6752  0.6522  0.7502  0.7917  0.8379  0.9545  0.9386  0.9201
  1     95     5  0.6752  0.6122  0.5386  0.5068  0.3322  0.5290  0.7375  0.9072
  2     90     10  0.1156  0.1167  0.1201  0.1233  0.1349  0.1380  0.1421  0.4510
  3     85     15  0.1163  0.1213  0.1269  0.1200  0.1106  0.1191  0.1249  0.1300
  4     80     20  0.1473  0.1311  0.1285  0.1284  0.1360  0.1440  0.1466  0.1463
  5     75     25  0.1169  0.1144  0.1190  0.1213  0.1141  0.1232  0.1295  0.1345
摩擦学性能试验是在CETR UMT-2 Multi-Specimen Test System实验机上进行的，测试条件为：大气环境，室温，载荷0.49～3.43N，滑行速度1.256～5.024m/min，对偶件为Φ9.5mm的440-C不锈钢钢球，HRC62。
由表1可以看出，Ag能显著降低复合材料的摩擦系数(由原来的0.66左右降低到0.11左右)，Ag添加量为10％时，表现出减摩效果。由表还可以看出，复合材料的摩擦系数比较稳定，基本不随滑行速度和载荷的变化而变化。
实施例2
将Y2O3、BaCO3、CuO粉末按Y∶Ba∶Cu＝1∶2∶3的原子摩尔比分别称量配比，研磨后高温烧结，烧结温度是910℃，烧结时间16h，将烧结粉末研磨后，再进行第二阶段的烧结，烧结温度是920℃，烧结时间17h，反应生成YBa2Cu3O7-δ(Y123)相黑色粉末；银是以金属银粉的形式添加到高温超导YBa2Cu3O7-δ(Y123)粉末中，添加量为5-25wt％，研磨后压样成型，经920℃、2h烧结后，再经490℃ 25h吸氧处理，便可制成银添加高温超导钇钡铜氧固体自润滑复合材料。
室温～500℃，载荷0.98N，滑行速度2.512m/min 表2
样品编号     Y123含量wt.％    Ag含量wt.％ 不同温度下的摩擦系数
25℃ 100℃ 300℃ 500℃
    0     100    0  0.9545  0.9165  0.3147  0.1785
    1     95    5  0.5290  0.7805  0.7320  0.4546
    2     90    10  0.1380  0.7723  0.6893  0.3986
    3     85    15  0.1191  0.1210  0.0623  0.1533
    4     80    20  0.1440  0.1369  0.0716  0.1665
    5     75    25  0.1232  0.1400  0.0669  0.1850
由表2可以看出，Y123的摩擦系数随温度上升急剧下降，添加金属Ag后，复合材料摩擦系数受温度影响的程度降低。当Ag含量超过15％以后，摩擦系数保持在0.2以下，300℃时摩擦系数最低，f＝0.06。
实施例3
将Y2O3、BaCO3、CuO粉末按Y∶Ba∶Cu＝1∶2∶3的原子摩尔比分别称量配比，研磨后高温烧结，烧结温度是900℃，烧结时间28h，将烧结粉末研磨后，再进行第二阶段的烧结，烧结温度是920℃，烧结时间18h，反应生成YBa2Cu3O7-δ(Y123)相黑色粉末；银是以金属银粉的形式添加到高温超导YBa2Cu3O7-δ(Y123)粉末中，添加量为5-25wt％，研磨后压样成型，经920℃、2h烧结后，再经470℃28h吸氧处理，便可制成银添加高温超导钇钡铜氧固体自润滑复合材料。
低温77K液氮温度，载荷12～16N，滑行速度1.574m/min
样品编号     Y123含量wt.％     Ag含量wt.％ 不同载荷(N)下的摩擦系数
12 16
    0     100     0     0.203     0.1892
    1     95     5     0.1790     0.1605
    2     90     10     0.1080     0.0823
    3     85     15     0.1091     0.0810
    4     80     20     0.1040     0.0869
    5     75     25     0.1032     0.0822
摩擦学性能试验是在SFT-4000高真空超低温摩擦磨损试验机(中国科学院兰州化学物理研究所研制)上进行的，测试条件为：真空环境，77K，载荷12～16N，滑行速度1.574m/min，对偶件为Φ9.5mm的440-C不锈钢钢球，HRC62。Ag含量5～25wt.％样品摩擦系数随载荷上升而下降，全部在0.08～0.2之间。
测试结果表明，本发明金属银添加高温超导YBa2Cu3O7-δ(Y123)固体自润滑复合材料能适应从低温到高温宽温度范围和特殊工况要求，具有明显的减摩耐磨和润滑作用。

Claims (2)

1.一种金属银Ag添加高温超导YBa2Cu3O7-δ材料在减摩耐磨和润滑方面的用途。
2.上述金属银Ag添加高温超导YBa2Cu3O7-δ材料的制备方法，其特征在于：将Y2O3、BaCO3、CuO粉末按Y∶Ba∶Cu＝1∶2∶3的原子摩尔比分别称量配比，研磨后高温烧结，烧结温度是900～910℃，烧结时间15～30h，将烧结粉末研磨后，再进行第二阶段的烧结，烧结温度是910～920℃，烧结时间15～30h，反应生成YBa2Cu3O7-δ(Y123)相黑色粉末；银是以金属银粉的形式添加到高温超导YBa2Cu3O7-δ(Y123)粉末中，添加量为5-25wt％，研磨后压样成型，经920℃、2h烧结后，再经450～500℃ 24h以上吸氧处理，便可制成银添加高温超导钇钡铜氧固体自润滑复合材料。
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