CN102092164B - 具有仿生结构的自润滑陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有仿生结构的自润滑陶瓷复合材料及其制备方法。复合材料具有陶瓷层和润滑层交替叠合而成的结构，陶瓷层为ZrO2、Al2O3或ZrO2-Al2O3，润滑层为石墨、二硫化钼或六方氮化硼。材料具有优异的摩擦磨损性能。

Description

具有仿生结构的自润滑陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高性能陶瓷复合材料及其制备技术领域，涉及一种具有仿生结构的自润滑陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
润滑是运动机械的共性问题，从空间机械到地面装备，从微型机械到超大型航空母舰，只要涉及机械运动，无不涉及润滑问题。随着现代机械的运行工况越来越苛刻、条件越来越复杂以及不断提升的高精度、高可靠性和长寿命方面的要求，对突破原有的润滑材料性能极限的高性能润滑材料和技术的需求也越来越迫切。陶瓷自润滑复合材料就是随着航空航天等现代军事工业技术的发展，为适应高温、高速、高载等苛刻工况条件下的润滑要求而迅速发展起来的新型润滑材料。但由于陶瓷材料很难发生塑性变形，脆性大，裂纹敏感性强，这一弱点在很大程度上限制了陶瓷自润滑复合材料的广泛应用。为了克服陶瓷材料的这种本征脆性，提高韧性，需要发展新的陶瓷复合材料。受生物界生物材料结构与性能关系的启发，人们发现高强高韧材料往往是单一成分的，但又具有复杂结构。经过长期的演化，生物体内形成了不同层次、不同尺度的复杂结构，如贝壳珍珠层、牙齿、木材等。在上述理论的指导下，具有仿生结构的陶瓷材料得到了很大的发展，并取得了可喜的研究结果，多种性能优异的仿生结构陶瓷随之出现。典型的例子是1990年英国人W.J.Clegg在Nature上首次发表的关于SiC基层状复合材料的报道，这种材料的断裂韧性可以达到15MPa·m1/2，断裂功高达4625J/m2，是常规SiC陶瓷材料的几十倍(W.J.Clegg，K.Kendall，N.M.Alford，et al.1990，347：455-457.)。由此可见，仿贝壳珍珠岩结构的层状复合陶瓷具有高韧性和高可靠性。陶瓷材料的这种仿生结构设计，在很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化提供了一种崭新的研究和设计思路。但这些研究主要集中在材料的制备和力学性能上，对其润滑技术的研究鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有仿生结构的自润滑陶瓷复合材料及其制备方法。
我们的发明思想是：如果将陶瓷材料的新型设计理念和制备技术与本身具有优异自润滑性能的陶瓷复合材料结合起来，实现陶瓷基自润滑复合材料的仿生结构设计是提高其性能与使用寿命及可靠性的一条有效途径。我们设计制备了一种具有仿生层状结构的自润滑陶瓷复合材料。
一种具有仿生结构的自润滑陶瓷复合材料，其特征在于复合材料具有陶瓷层和润滑层交替叠合而成的结构，陶瓷层为ZrO2、Al2O3或ZrO2-Al2O3，厚度为0.5～2.5mm；润滑层为石墨、二硫化钼或六方氮化硼，厚度为0.01～0.05mm，陶瓷层和润滑层的厚度比大于50。
复合材料的制备方法：首先用水基凝胶注模成型制备陶瓷片层，然后在此陶瓷片上沉积润滑薄膜，再将陶瓷片层/润滑层交替叠加而成层状坯体，并采用热压烧结的方法得到复合材料。
一种制备具有仿生结构的自润滑陶瓷复合材料的方法，包括下列步骤：
A陶瓷层的制备：将陶瓷粉体用水基凝胶注模成型方法制备成厚度为0.5～2.5mm的陶瓷薄片；
B润滑层的制备：将石墨、二硫化钼或六方氮化硼喷涂到陶瓷薄片上，形成厚度为0.01～0.05mm的润滑层，得到原始坯体；
C成型与烧结：将原始坯体交替叠合成层状坯体，在100～500MPa的压力下模压成型，然后装入石墨模具中，放入高温热压烧结炉，烧结温度为1400～1600℃，压力为20～40MPa，保温时间为0.5～2小时，保温时在氩气、氮气或真空度为＜5×10-2Pa下进行。
本发明所述的用水基凝胶注模成型方法制备成厚度为0.5～2.5mm的陶瓷薄片的具体过程为：将陶瓷粉体加入含有丙烯酰胺和N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液中，依次进行超声和球磨分散。球磨后的浆料真空脱泡，并加入过硫酸铵和四甲基乙二胺，然后注入模具中在聚合，得到成型坯体。
本发明的复合材料，因摩擦时均匀分布的固体润滑组元在摩擦表面形成连续的润滑膜，从而可以实现稳定的润滑作用。因此，通过陶瓷材料的这种仿生结构设计，可在摩擦过程中形成连续有效的润滑膜，以达到陶瓷材料自润滑的效用，改善以往陶瓷自润滑复合材料中润滑组元难以均匀分布的问题，同时避免固体润滑组元对复合材料机械性能的不利影响。
本发明复合材料的制备方法的好处是：陶瓷片层是由水基凝胶注模成型工艺制备而成，该方法的优点是有机物含量低(＜5wt％)，制备的陶瓷素坯致密度高，结构均匀，易于低温烧结。另外，冷压喷涂法制备润滑层，成型工艺简单、可靠，不需专用设备，便于工业化生产。
具体实施方式
实施例1
将20克四方氧化锆粉体加入含有1克丙烯酰胺和0.08克N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的8ml水溶液中，超声10分钟后球磨4小时。球磨后的浆料真空脱泡10分钟，分别加入0.01克过硫酸铵和四甲基乙二胺，然后注入厚度为2mm的模具中在40℃下聚合30分钟得到成型坯体。在此坯体上喷涂厚度为15～20μm的二硫化钼薄膜，固化后的坯体经脱模后，切割成尺寸为25×25mm的薄片，并在室温条件下静置6小时后再放入80℃烘箱中继续干燥12小时。将上述制备好的坯体交替叠合成层状坯体，用压片机在钢模具中加压，压强为100MPa，恒压时间为5分钟，即得所需的陶瓷坯体。成型后的坯体放入热压烧结炉中烧结，烧结温度为1450℃，压力为30MPa，保温时间为1小时，烧结气氛为真空度小于5×10-2Pa的真空条件，制备出Y-TZP/MoS2仿生层状自润滑陶瓷复合材料。摩擦学性能测试表明：制备的自润滑陶瓷复合材料的摩擦系数为0.17，磨损率为2.41×10-5mm3/N·m。
实施例2
将10克氧化铝粉体加入含有0.5克丙烯酰胺和0.05克N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的5ml水溶液中，超声10分钟后球磨4小时。球磨后的浆料真空脱泡10分钟，分别加入0.005克过硫酸铵和四甲基乙二胺，然后注入厚度为2.5mm的模具中在聚合得到成型坯体。在此坯体上喷涂厚度为15～20μm的二硫化钼薄膜，固化后的坯体经脱模后，切割成尺寸为25×25mm的薄片，然后交替叠合成层状坯体，用压片机在钢模具中加压，压强为150MPa，恒压时间为15分钟，即得所需的陶瓷坯体。成型后的坯体放入热压烧结炉中烧结，烧结温度为1550℃，压力为25MPa，保温时间为1小时，氩气保护，制备出Al2O3/MoS2仿生层状自润滑陶瓷复合材料。摩擦学性能测试表明：制备的自润滑陶瓷复合材料的摩擦系数为0.15，磨损率为1.20×10-5mm3/N·m。
实施例3
将10克氧化铝粉体加入含有0.5克丙烯酰胺和0.05克N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的5ml水溶液中，超声10分钟再球磨4小时。球磨后的浆料真空脱泡10分钟，分别加入0.005过硫酸铵溶液和四甲基乙二胺，然后注入厚度为2.5mm的模具中在40℃下聚合30分钟得到成型坯体。在此坯体上喷涂厚度为20～30μm的石墨薄膜，固化后的坯体经脱模后，切割成尺寸为25×25mm的薄片，然后交替叠合成层状坯体，用压片机在钢模具中加压，压强为120MPa，恒压时间为15分钟，即得所需的陶瓷坯体。成型后的坯体放入热压烧结炉中烧结，烧结温度为1550℃，压力为30MPa，保温时间为1小时，氩气保护，制备出Al2O3/石墨仿生层状自润滑陶瓷复合材料。摩擦学性能测试表明：制备的自润滑陶瓷复合材料的摩擦系数为0.20，磨损率为1.82×10-5mm3/N·m。
实施例4
按氧化锆和氧化铝摩尔比1∶4配制复合粉体，将20克该复合粉体加入含有1克丙烯酰胺和0.1克N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的6ml水溶液中，超声10分钟再球磨4小时。球磨后的浆料真空脱泡10分钟，分别加入0.01克过硫酸铵和四甲基乙二胺，然后注入厚度为2mm的模具中在50℃下聚合20分钟得到成型坯体。在此坯体上喷涂厚度为10～15μm的二硫化钼薄膜，固化后的坯体经脱模后，切割成尺寸为25×25mm的薄片，并在室温条件下静置6小时后再放入80℃烘箱中继续干燥12小时。将上述制备好的坯体交替叠合成层状坯体，用压片机在钢模具中加压，压强为150MPa，恒压时间为5分钟，即得所需的陶瓷坯体。成型后的坯体放入热压烧结炉中烧结，烧结温度为1500℃，压力为25MPa，保温时间为1小时，氩气保护，制备出Y-TZP-Al2O3/MoS2仿生层状自润滑陶瓷复合材料。摩擦学性能测试表明：制备的自润滑陶瓷复合材料的摩擦系数为0.18，磨损率为1.95×10-5mm3/N·m。
实施例5
将20克四方氧化锆粉体加入含有1克丙烯酰胺和0.08克N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的8ml水溶液中，超声10分钟后球磨4小时。球磨后的浆料真空脱泡10分钟，分别加入0.01克过硫酸铵和四甲基乙二胺，然后注入厚度为3.0mm的模具中在40℃下聚合30分钟得到成型坯体。在此坯体上用冷压喷涂的方法制备厚度为35～40μm的六方氮化硼薄膜，固化后的坯体经脱模后，切割成尺寸为25×25mm的薄片，并在室温条件下静置6小时后再放入80℃烘箱中继续干燥12小时。将上述制备好陶瓷坯体交替叠合成层状坯体，用压片机在钢模具中加压，压强为150MPa，恒压时间为5分钟，即得所需的陶瓷坯体。成型后的坯体放入热压烧结炉中烧结，烧结温度为1550℃，压力为30MPa，保温时间为1小时，真空(真空度小于5×10-2Pa)保护，制备出Y-TZP/BN仿生层状自润滑陶瓷复合材料。摩擦学性能测试表明：制备的自润滑陶瓷复合材料的摩擦系数为0.26，磨损率为3.55×10-5mm3/N·m。

Claims (1)

1.一种具有仿生结构的自润滑陶瓷复合材料，其特征在于复合材料具有陶瓷层和润滑层交替叠合而成的结构，陶瓷层为ZrO2、Al2O3或ZrO2-Al2O3，厚度为0.5～2.5mm；润滑层为石墨、二硫化钼或六方氮化硼，厚度为0.01～0.05mm，陶瓷层和润滑层的厚度比大于50；
复合材料通过下列步骤来制备：
A陶瓷层的制备：将陶瓷粉体用水基凝胶注模成型方法制备成厚度为0.5～2.5mm的陶瓷薄片；
B润滑层的制备：将石墨、二硫化钼或六方氮化硼喷涂到陶瓷薄片上，形成厚度为0.01～0.05mm的润滑层，得到原始坯体；
C成型与烧结：将原始坯体交替叠合成层状坯体，在100～500MPa的压力下模压成型，然后装入石墨模具中，放入高温热压烧结炉，烧结温度为1400～1600℃，压力为20～40MPa，保温时间为0.5～2小时，保温时在氩气、氮气或真空度为＜5×10-2Pa下进行。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103073268B (zh) * 2011-10-25 2015-04-22 中国科学院兰州化学物理研究所 一种氧化铝陶瓷自润滑复合材料及其制备方法
CN103158295B (zh) * 2011-12-16 2016-01-13 中国科学院兰州化学物理研究所 具有仿生结构的Al2O3陶瓷复合材料及制备方法
CN102536972A (zh) * 2012-02-21 2012-07-04 吉林大学 在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面
CN103540821B (zh) * 2012-07-12 2015-10-21 中国科学院兰州化学物理研究所 一种氧化锆基高温自润滑块体材料
CN106244885B (zh) * 2016-07-28 2018-02-27 中国科学院兰州化学物理研究所 一种多层结构氧化铝自润滑复合陶瓷及其制备方法
CN106365661B (zh) * 2016-09-12 2019-02-26 中国科学院兰州化学物理研究所 一种多层结构氧化铝复合陶瓷及其制备方法
CN107475592B (zh) * 2017-10-09 2019-05-03 南昌工程学院 具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2140444Y (zh) * 1993-02-08 1993-08-18 包维兴 表面特殊处理的陶瓷轴承
CN1132731A (zh) * 1995-12-28 1996-10-09 中国科学院兰州化学物理研究所 氧化锆——石墨自润滑复合陶瓷材料
CN101054289A (zh) * 2007-05-11 2007-10-17 张笑歌 一种耐高温远红外辐射陶瓷涂料
CN101113204A (zh) * 2007-07-17 2008-01-30 李军魂 用于汽车制动摩擦衬片的陶瓷基摩擦材料配方
CN101316666A (zh) * 2005-09-07 2008-12-03 Ks铝技术股份公司 用于浇铸模具中的陶瓷表面的保护层

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2140444Y (zh) * 1993-02-08 1993-08-18 包维兴 表面特殊处理的陶瓷轴承
CN1132731A (zh) * 1995-12-28 1996-10-09 中国科学院兰州化学物理研究所 氧化锆——石墨自润滑复合陶瓷材料
CN101316666A (zh) * 2005-09-07 2008-12-03 Ks铝技术股份公司 用于浇铸模具中的陶瓷表面的保护层
CN101054289A (zh) * 2007-05-11 2007-10-17 张笑歌 一种耐高温远红外辐射陶瓷涂料
CN101113204A (zh) * 2007-07-17 2008-01-30 李军魂 用于汽车制动摩擦衬片的陶瓷基摩擦材料配方

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