CN107475592B - 具有仿生结构的自润滑金属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金属陶瓷复合材料，具有金属陶瓷基体层和润滑层交替叠合而成的结构；金属陶瓷基体层的原料包括Al2O365～72％、SiO2 12～15％、MgO微粉10～12％、B2O3 2～4％和Fe粉3～6％，各原料合计100％；润滑层的原料包括hBN 92～98％和纳米碳2～8％；所述润滑层的厚度为0.025～0.05mm；金属陶瓷基体层与润滑层的厚度比为30～40：1。现有以Al2O3/nBN自润滑复合陶瓷基体的基础上，以微‑纳米复合粉体为原料，通过材料的仿生结构设计，制得具有强‑弱多层界面特征的层状复合陶瓷，在提高陶瓷良好力学性能的同时，实现了材料的结构/润滑功能一体化设计。

Description

具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属陶瓷复合材料技术领域，特别是涉及一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
工程陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度、抗氧化等多种优异性能，是制造高温润滑耐磨元件的理想材料。其中，自润滑材料复合陶瓷具有良好的高温摩擦性能，是一种很有使用价值和前景的陶瓷润滑技术。自润滑复合陶瓷是将固态润滑剂如：石墨、MoS2、六方氮化硼或Au、Ag等软金属引入陶瓷材料中制成陶瓷复合材料，由于加入的固态润滑组元易拖敷、摩擦系数低，而在摩擦表面形成连续的固态润滑层，从而赋予陶瓷复合材料以自润滑性。但柔软、层状结构各向异性的固润组元在摩擦基体中弥散将引起材料的机械性能降低，包括断裂韧性、表面硬度和强度。由于陶瓷材料的磨损性能与材料力学性能紧密相关，为了使材料获得更广泛的应用，自润滑陶瓷复合材料必须在强度、韧度和自润滑性能两个方面加以平衡。因此，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。
层状复合是模仿自然界的贝壳而来，有学者注意到，贝壳由多层厚约1μm的脆性文石晶体组成，贝壳中珍珠层由一层层超薄的碳酸钙组成，层与层之间由蛋白质软体连接，形成了超微层状结构，这种特殊的结构使其机械性能远远高于一般文石晶体。受其材料结构与性能关系的启发，人们认识到陶瓷材料的强韧化除了从组分设计上选择不同的材料体系外，更重要的一点是可以从材料的宏观结构角度来考虑。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。目前出现的Al2O3/nBN自润滑复合陶瓷较其它具有良好的摩擦磨损性能，材料的冲击韧性大幅度提高，但其抗弯强度下降20％，这与复合陶瓷的组成材料的抗弯强度、含量及界面粘接度有很大的关系。
发明内容
为此，本发明提供了一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，以克服现有技术中Al2O3/nBN自润滑复合陶瓷抗弯强度低的技术问题。
本发明的一个目的是提供一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，所述复合材料具有金属陶瓷基体层和润滑层交替叠合而成的结构；所述金属陶瓷基体层的原料包括Al2O3 65～72％、SiO2 12～15％、MgO微粉10～12％、B2O3 2～4％和Fe粉3～6％，各原料合计100％；其中：Al2O3和SiO2中至少有一个由微粉和纳米级粉末混合而成，且纳米级粉末的质量占比为2～4％，所述B2O3为纳米级粉末；所述金属陶瓷基体层的厚度为0.8～2.0mm；所述润滑层的原料包括hBN 92～98％和纳米碳2～8％；所述润滑层的厚度为0.025～0.05mm；所述金属陶瓷基体层与所述润滑层的厚度比为30～40：1。
优选地，所述B2O3的粒径为20～60nm。
优选地，所述微粉的尺寸为50～100μm，所述纳米级粉末的尺寸为20～60nm。
本发明的另一个目的是提供该具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按比例分别称取金属陶瓷基体层的各原料和润滑层的各原料；
S2：将金属陶瓷基体层的各原料混合，并加入2～5倍重量的无水乙醇混合均匀，注模成型制成厚度为0.8～2.0mm的金属陶瓷基体层；
S3：将hBN和纳米碳按比例搅拌均匀，均匀喷涂在金属陶瓷基体层上，形成厚度为0.025～0.05mm的润滑层；
S4：将金属陶瓷基体层和润滑层交替叠层后，得到陶瓷坯料，陶瓷坯料于真空，1250～1400℃，40～50MPa条件下热压烧结1～2h，得具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料。
优选地，热压烧结时，升温速度为10℃/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)现有以Al2O3/nBN自润滑复合陶瓷基体的基础上，以微-纳米复合粉体为原料，通过材料的仿生结构设计，制得具有强-弱多层界面特征的层状复合陶瓷，在提高陶瓷良好力学性能的同时，实现了材料的结构/润滑功能一体化设计。
(2)金属陶瓷基体层以一定比例的Al2O3、SiO2、MgO微粉和Fe粉为主原料，形成四元Al2O3-SiO2-MgO-Fe体系，且原料成分中的Al2O3、SiO2均由微粉和纳米级粉组成，通过添加少量的纳米级原料，大大降低了陶瓷的烧结温度，并显著提高金属陶瓷基体的抗压缩和剪切强度。
(3)由于nBN属于共价化合物，固相扩散系数低，是以一种很难烧结的材料，而且层与层间的应力存在极容易在层或坯体内部形成裂纹或孔洞，导致层状陶瓷较单层陶瓷难以致密，因此，本发明在nBN添加了一定量的具有润滑性能的纳米碳，且在金属陶瓷基体层中添加了少量B2O3纳米级粉末，B2O3与nBN具有良好的化学、物理相容性，界面结合性好，在摩擦过程中形成持续的润滑作用，金属陶瓷基体层中的B2O3纳米级粉末在高温烧结过程中，扩散至nBN中，不仅减小层与层间的应力，获得致密结构的复合陶瓷，还能够增强界面粘结，并使层间裂纹在润滑层处发生偏转，形成台阶状裂纹，使材料的韧性大幅度提高，从而显著提高复合陶瓷的抗弯强度。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，下文中所用是的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除非另有特别说明，本发明以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，其制备过程具体如下：按比例分别称取67.55％尺寸为50～100μm的Al2O3、2.45％尺寸为20～60nm的Al2O3、15％尺寸为50～100μm的SiO2、10％尺寸为50～100μm的MgO微粉、2％尺寸为20～60nm的B2O3和3％Fe粉，将上述各组分混合，并加入2倍重量的无水乙醇混合均匀，注模成型制成厚度为1.0mm的金属陶瓷基体层；再称取95％的hBN和5％的纳米碳，搅拌均匀，均匀喷涂在金属陶瓷基体层上，形成厚度为0.025mm的润滑层；将金属陶瓷基体层和润滑层交替叠层，总层数为33层，得到陶瓷坯料，将陶瓷坯料放入热压炉中烧结，整个烧结过程在真空下进行，热压烧结时，升温速度为10℃/min，烧结温度为1200℃，烧结压力40MPa，烧结时间为1h，得具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料。
实施例2
本实施例一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，其制备过程具体如下：按比例分别称取65％尺寸为50～100μm的Al2O3、14.25％尺寸为50～100μm的SiO2、0.75％尺寸为20～60nm的SiO2，12％尺寸为50～100μm的MgO微粉、4％尺寸为20～60nm的B2O3和4％Fe粉，将上述各组分混合，并加入2倍重量的无水乙醇混合均匀，注模成型制成厚度为2.0mm的金属陶瓷基体层；再称取98％的hBN和2％的纳米碳，搅拌均匀，均匀喷涂在金属陶瓷基体层上，形成厚度为0.05mm的润滑层；将金属陶瓷基体层和润滑层交替叠层，总层数为27层，得到陶瓷坯料，将陶瓷坯料放入热压炉中烧结，整个烧结过程在真空下进行，热压烧结时，升温速度为10℃/min，烧结温度为1200℃，烧结压力40MPa，烧结时间为1h，得具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料。
实施例3
本实施例一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，其制备过程具体如下：按比例分别称取66.64％尺寸为50～100μm的Al2O3、1.36％尺寸为20～60nm的Al2O3、11.76％尺寸为50～100μm的SiO2、0.24％尺寸为20～60nm的SiO2，10％尺寸为50～100μm的MgO微粉、4％尺寸为20～60nm的B2O3和6％Fe粉，将上述各组分混合，并加入2倍重量的无水乙醇混合均匀，注模成型制成厚度为1.0mm的金属陶瓷基体层；再称取95％的hBN和5％的纳米碳，搅拌均匀，均匀喷涂在金属陶瓷基体层上，形成厚度为0.035mm的润滑层；将金属陶瓷基体层和润滑层交替叠层，总层数为33层，得到陶瓷坯料，将陶瓷坯料放入热压炉中烧结，整个烧结过程在真空下进行，热压烧结时，升温速度为10℃/min，烧结温度为1200℃，烧结压力40MPa，烧结时间为1h，得具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料。
我们对上述实施例1～实施例3提供的具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料进行X射线和SEM分析可知，层状复合材料中无大的孔洞和裂纹，层状结构明显，界面结合良好，界面比较清晰。为了进一步说明本发明实施例1-实施例3的突出效果，我们以Al2O3/nBN自润滑复合陶瓷作对比，Al2O3/nBN自润滑复合陶瓷的具体制备过程为：向尺寸为50～100μm的Al2O3加入2倍重量的无水乙醇混合均匀，注模成型制成厚度为1.0mm的金属陶瓷基体层；再称取hBN均匀喷涂在金属陶瓷基体层上，形成厚度为0.035mm的润滑层；将金属陶瓷基体层和润滑层交替叠层，总层数为33层，得到陶瓷坯料，将陶瓷坯料放入热压炉中烧结，整个烧结过程在真空下进行，热压烧结时，升温速度为10℃/min，烧结温度为1700℃，烧结压力40MPa，烧结时间为1h，得具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料。
我们对实施例1-3以及对比例制备得到的金属陶瓷复合材料采用常规方法进行力学性能测试和高温摩擦学性能测试，具体结果如表1所示。
由表1可以看出，实施例1-实施例3提供的具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料通过材料的仿生结构设计，制得具有强-弱多层界面特征的层状复合陶瓷，其烧结温度显著降低，达到1200℃，且材料的韧性大幅度提高，从而显著提高复合陶瓷的抗弯强度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述复合材料具有金属陶瓷基体层和润滑层交替叠合而成的结构；
所述金属陶瓷基体层的原料包括Al2O3 65～72％、SiO2 12～15％、MgO微粉10～12％、B2O3 2～4％和Fe粉3～6％，各原料合计100％；其中：Al2O3和SiO2中至少有一个由微粉和纳米级粉末混合而成，且纳米级粉末的质量占比为2～4％，所述B2O3为纳米级粉末；所述金属陶瓷基体层的厚度为0.8～2.0mm；
所述润滑层的原料包括hBN 92～98％和纳米碳2～8％；所述润滑层的厚度为0.025～0.05mm；
所述金属陶瓷基体层与所述润滑层的厚度比为30～40：1。
2.根据权利要求1所述的具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述B2O3的粒径为20～60nm。
3.根据权利要求1所述的具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述微粉的尺寸为50～100μm，所述纳米级粉末的尺寸为20～60nm。
4.根据权利要求1所述的具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：按比例分别称取金属陶瓷基体层的各原料和润滑层的各原料；
S2：将金属陶瓷基体层的各原料混合，并加入2～5倍重量的无水乙醇混合均匀，注模成型制成厚度为0.8～2.0mm的金属陶瓷基体层；
S3：将hBN和纳米碳按比例搅拌均匀，均匀喷涂在金属陶瓷基体层上，形成厚度为0.025～0.05mm的润滑层；
S4：将金属陶瓷基体层和润滑层交替叠层后，得到陶瓷坯料，陶瓷坯料于真空，1200～1400℃，40～50MPa条件下热压烧结1～2h，得具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料。
5.根据权利要求4所述的具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，热压烧结时，升温速度为10℃/min。
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