CN101417875B - 一种高温超导材料在减摩耐磨和润滑方面的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温超导材料，特指Ag添加高温超导体B2Si2CaCu2Ox(B2212)固体自润滑复合材料，将Bi2O3∶SrCO3∶CaCO3∶CuO＝2.2～2.6∶2∶1∶2的摩尔比配料，将配料充分研磨后进行第一阶段高温烧结；将烧结粉末充分研磨后再进行第二阶段的烧结，反应生成B2Si2CaCu2Ox相黑色粉末；将金属银粉添加到高温超导B2Si2CaCu2Ox粉末中，添加量为5-20wt％，充分研磨后，压制成型并进行第三阶段的烧结，再经吸氧处理，制得银添加高温超导铋锶钙铜氧(B2Si2CaCu2Ox)固体自润滑复合材料。银添加高温超导铋锶钙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。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温超导材料，特指Ag添加高温超导体B2Si2CaCu2Ox(B2212)固体自润滑复合材料，适用于低温、高载荷、真空、强氧化、强辐射等特殊工况的减摩耐磨和润滑。
背景技术
在超低温状况下，目前通常所使用的润滑油不能正常工作，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来实现减摩耐磨的要求，而一些常用的固体润滑剂，例如MoS2和PTFE在这些极端条件下都存在着一些问题，例如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。
B2Si2CaCu2Ox(B2212)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。有文献报道添加金属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Ag添加B2Si2CaCu2Ox固体自润滑复合材料的摩擦学性能的报道还未发现。
中国专利CN101121605A也公开了一种高温超导材料在耐磨减摩方面的应用，其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，与其相比，本发明中应用的B2Si2CaCu2Ox高温超导体的超导转变温度要更高，达到96K，更具有应用价值，而且本发明中所应用的B2Si2CaCu2Ox高温超导体晶体的片层结构更为明显，在常温和低温条件下较YBa2Cu3O7-δ(Y123)能更有效地降低摩擦系数，并且更稳定，但是B2Si2CaCu2Ox的制备过程中容易出现杂相，从而影响到超导体的超导性能，这也是本发明需要解决的一个技术问题。
发明内容
本发明利用粉末冶金法制备出高温超导陶瓷B2Si2CaCu2Ox(B2212)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B2Si2CaCu2Ox形成的固体自润滑复合材料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B2Si2CaCu2Ox的超导电性，减少晶粒间弱连接，制备银添加B2Si2CaCu2Ox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。
具体方法如下：将Bi2O3∶SrCO3∶CaCO3∶CuO＝2.2～2.6∶2∶1∶2的摩尔比配料，将配料充分研磨后进行第一阶段高温烧结；将烧结粉末充分研磨后再进行第二阶段的烧结，反应生成B2Si2CaCu2Ox相黑色粉末；将金属银粉添加到高温超导B2Si2CaCu2Ox粉末中，添加量为5-20wt％，充分研磨后，压制成型并进行第三阶段的烧结，再经吸氧处理，制得银添加高温超导铋锶钙铜氧(B2Si2CaCu2Ox)固体自润滑复合材料。
上述制备方法中，第一阶段高温烧结的烧结温度为780～790℃，时间为15～30h；
上述制备方法中，第二阶段高温烧结的烧结温度为烧结温度是790～800℃，时间为15～30h；
上述制备方法中，第三阶段的烧结温度为800℃，时间为2h；
上述制备方法中，吸氧处理的温度为450～500℃，时间为24h以上。
上述制备方法中，需要添加过量的Bi2O3用来作为助熔剂，以使反应完全，并抑制杂相的生成，因为杂相的存在会影响到超导体的超导性能，而且由于晶体结构与B2Si2CaCu2Ox不同，对摩擦性能也有所影响。
本发明的优点在于：银以单质形式主要分布在B2Si2CaCu2Ox晶粒的缝隙中，阻碍裂纹产生和传播，能明显消除B2Si2CaCu2Ox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B2Si2CaCu2Ox复合成固体自润滑材料，在摩擦过程中，B2Si2CaCu2Ox支承负荷，金属银在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。B2Si2CaCu2Ox超导体的片层结构明显，c轴间距大，这使得其在摩擦时容易产生横向切变和滑移，有利于减小摩擦系数。
银添加高温超导铋锶钙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。该材料可以适应以上各种工况摩擦。
具体实施方式
将Bi2O3、SrCO3、CaCO3、CuO粉末按Bi2O3∶SrCO3∶CaCO3∶CuO＝2.4∶2∶1∶2的原子摩尔比分别称量配比，研磨后高温烧结，烧结温度是780℃，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790℃，烧结时间30h，反应生成B2Si2CaCu2Ox(B2212)相黑色粉末；银是以金属银粉的形式添加到高温超导B2Si2CaCu2Ox(B2212)粉末中，添加量为5-25wt％研磨后压样成型，经800℃、2h烧结后，再经450℃30h吸氧处理，便可制成银添加高温超导铋锶钙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。
结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1室温
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：大气环境，常温，对偶件为Φ65mm的轴承钢，HRC62。
由表1可以看出，Ag能有效降低复合材料的摩擦系数(由原来的0.16左右降低到0.10左右)，Ag添加量为10％时，表现出减摩效果。与专利号为CN101121605A的专利相比，本发明中添加Ag制备的材料在低载荷下的摩擦系数要比其稳定而且小。
实施例2低温77K液氮温度，载荷0.49N，滑行速度0.204m/min
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0.49N，滑行速度1.574m/min，对偶件为Φ65mm的轴承钢，HRC62。
测试结果表明，本发明金属银添加高温超导B2Si2CaCu2Ox固体自润滑复合材料能适应较宽温度范围和低载荷工作要求，具有明显的减摩耐磨和润滑作用，比专利号为CN101121605A的专利在特定条件下有更良好的应用前景。
Claims (1)
1.一种Ag添加高温超导Bi2Sr2CaCu2Ox固体自润滑复合材料在减摩耐磨和润滑方面的用途，所述的固体自润滑复合材料制备方法如下：将Bi2O3∶SrCO3∶CaCO3∶CuO＝2.2～2.6∶2∶1∶2的摩尔比配料，将配料充分研磨后进行第一阶段高温烧结；将烧结粉末充分研磨后再进行第二阶段的烧结，反应生成Bi2Sr2CaCu2Ox相黑色粉末；将金属银粉添加到高温超导Bi2Sr2CaCu2Ox粉末中，添加量为5-20wt％，充分研磨后，压制成型并进行第三阶段的烧结，再经吸氧处理，制得银添加高温超导Bi2Sr2CaCu2Ox固体自润滑复合材料；所述第一阶段高温烧结的烧结温度为780～790℃，时间为15～30h，所述第二阶段高温烧结的烧结温度为烧结温度是790～800℃，时间为15～30h，所述第三阶段的烧结温度为800℃，时间为2h，所述吸氧处理的温度为450～500℃，时间为24h以上。
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