CN108588496B - 一种含有铝酸锶的复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含有铝酸锶的复合材料，属于润滑材料领域。本发明提供的含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成，镍44.8～53.76％，铬11.2～13.44％，纳米氧化铝24～28.8％，碳酸锶4～20％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述烧结的温度为1100℃。本发明提供的复合材料中含有SrAl4O7，使得复合材料在中、高温区间的摩擦学性能方面有很大提高，尤其是在800℃时，复合材料的摩擦系数达到0.17以下。在航空航天、核工程和军用装备等高技术领域的高温、高速运动部件中，具有广阔的应用前景。

Description

一种含有铝酸锶的复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及润滑材料技术领域，尤其涉及一种含有铝酸锶的复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
航空航天、核工程和军用装备制造等高技术领域的机械运动部件面临高速、高温、重载等苛刻工作条件，这就要求润滑材料在变温条件下具有连续、稳定的摩擦系数和可靠的耐磨性及高的强度、抗氧化、抗蚀等性能。由于传统的润滑技术难以满足上述需求，必须采用固体润滑技术来解决特殊工况下的润滑问题，然而固体润滑属于自耗型润滑，随着环境气氛的变化而改变，使其使用寿命受到限制，一旦失效，无法补充，造成严重损耗甚至永久损害。为了避免在交变特性的热负荷下摩擦演变过程中所引起的磨损失效，迫切需要研究和发展具有低摩擦系数、高承载、长寿命、环境自适应的高性能润滑材料，实现航空航天、核工程和军用装备制造等高技术领域中动力传输系统稳定可靠运行。
目前，高温润滑材料主要有利用氧化物减摩机理实现高温润滑的自润滑合金，复配固体润滑剂实现高温润滑的金属基复合材料、陶瓷基复合材料和金属陶瓷基复合材料。自润滑合金在高温下具有低的摩擦系数，然而其磨损率相对较大。针对自润滑合金高温阶段磨损较大的问题，研究和发展了复配固体润滑剂的高温润滑复合材料，但是仍存在摩擦学性能不佳的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含有铝酸锶的复合材料及其制备方法与应用。本发明提供的复合材料中含有SrAl4O7，使得复合材料在中、高温区间的摩擦学性能方面有很大提高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成，镍44.8～53.76％，铬11.2～13.44％，纳米氧化铝24～28.8％，碳酸锶4～20％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述烧结的温度为1100℃。
优选地，所述镍、铬和纳米氧化铝的纯度独立地大于99.0％。
优选地，所述镍、铬、纳米氧化铝和碳酸锶的形貌为粉末状。
优选地，所述纳米氧化铝的粒径为20～40nm。
本发明还提供了上述技术方案所述的含有铝酸锶的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镍、铬、纳米氧化铝和碳酸锶混合，得到混合料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合料依次进行成型、烧结和冷却，得到所述含有铝酸锶的复合材料。
优选地，所述成型的压力为5～10MPa。
优选地，所述烧结的温度为1100℃。
优选地，所述烧结的时间为30～90min。
优选地，所述烧结的压力为20～30MPa。
本发明还提供了上述技术方案所述含有铝酸锶的复合材料在航空航天、核工程和军用装备领域中的应用。
本发明提供了一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成，镍44.8～53.76％，铬11.2～13.44％，纳米氧化铝24～28.8％，碳酸锶4～20％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述烧结的温度为1100℃。本发明复合材料中镍铬作为基体金属，烧结过程中碳酸锶分解成氧化锶，氧化锶与纳米氧化铝生成SrAl4O7晶相，使得复合材料在中、高温区间的摩擦学性能方面有很大提高。尤其是在800℃时，复合材料的摩擦系数达到0.17以下。
附图说明
图1为本发明含有SrAl4O7的复合材料的X-射线衍射图谱。
具体实施方式
本发明提供了一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成，镍44.8～53.76％，铬11.2～13.44％，纳米氧化铝24～28.8％，碳酸锶4～20％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述烧结的温度为1100℃。
在本发明中，所述原料包括质量百分含量为44.8～53.76％的镍，优选为47.04～51.52％，更优选为49.28～50.4％。在本发明中，所述镍的纯度优选大于99.0％。在本发明中，所述镍的形貌优选为粉末。在本发明中，所述镍的粒径优选为25～74μm，更优选为30.8～61μm，最优选为38.5～50μm。
在本发明中，所述原料包括质量百分含量为11.2～13.44％的铬，优选为11.76～12.88％，更优选为12.32～12.6％。在本发明中，所述铬的纯度优选大于99.0％。在本发明中，所述铬的形貌优选为粉末。在本发明中，所述铬的粒径优选为25～74μm，更优选为30.8～61μm，最优选为38.5～50μm。
在本发明中，所述原料包括质量百分含量为24～28.8％的纳米氧化铝，优选为25.2～27.6％，更优选为26.4～27％。在本发明中，所述纳米氧化铝的形貌优选为粉末。在本发明中，所述纳米氧化铝粉末的粒径优选为20～40nm，更优选为24～36nm，最优选为28～32nm。
在本发明中，所述原料包括4～20％重量百分含量的碳酸锶，优选为8～16％，更优选为10～12％。在本发明中，所述碳酸锶优选碳酸锶粉末。在本发明中，所述碳酸锶的粒径优选为25～74μm，更优选为30.8～61μm，最优选为38.5～50μm。
本发明还提供了上述技术方案所述含有铝酸锶的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镍、铬、纳米氧化铝和碳酸锶混合，得到混合料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合料依次进行成型、烧结和冷却，得到所述含有铝酸锶的复合材料。
本发明将镍、铬、纳米氧化铝和碳酸锶混合，得到混合料。在本发明的实施例中，优选将镍和铬混合，得到金属单质混合物，将纳米氧化铝和碳酸锶混合，得到金属化合物混合物；然后将所述金属单质混合物和所述金属化合物混合物进行终混得到混合料。本发明对所述混合的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如湿法球磨。在本发明中，所述镍和铬湿法球磨的时间优选为10～20h，更优选为12～18h，最优选为14～16h。在本发明中，所述镍和铬湿法球磨的转速优选为200～350r/min，更优选为240～320r/min，最优选为280～300r/min。在本发明中，所述镍和铬湿法球磨的球料比优选为5～15：1，更优选为7～12：1，最优选为9～11：1。
在本发明中，所述纳米氧化铝与碳酸锶湿法球磨的时间优选为10～20h，更优选为12～18h，最优选为14～16h。在本发明中，所述纳米氧化铝和碳酸锶湿法球磨的转速优选为200～350r/min，更优选为240～320r/min，最优选为280～300r/min。在本发明中，所述纳米氧化铝与碳酸锶湿法球磨的球料比优选为5～15：1，更优选为7～12：1，最优选为9～11：1。
在本发明中，所述终混湿法球磨的时间优选为8～16h，更优选为10～14h，最优选为11～13h。在本发明中，所述终混湿法球磨的转速优选为200～350r/min，更优选为240～320r/min，最优选为280～300r/min。在本发明中，所述终混湿法球磨的球料比优选为5～15：1，更优选为7～12：1，最优选为9～11：1。
本发明对所述混合的设备没有特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的混合设备即可，具体的，如行星式高能球磨机。
得到混合料后，本发明将混合料依次进行成型、烧结和冷却，得到所述含有铝酸锶的复合材料。在本发明中，所述成型的压力优选为5～10MPa，更优选为6～9MPa，最优选为7～8MPa，所述成型的时间优选为20～40s，更优选为25～35s，最优选为28～32s。
在本发明中，所述烧结的温度优选为1100℃。在本发明中，所述烧结的压力优选为20～30MPa，更优选为22～28MPa，最优选为24～26MPa。在本发明中，所述烧结的时间优选为30～90min，更优选为40～80min，最优选为50～70min。
本发明对所述成型和烧结的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的成型和烧结设备即可，具体的，如在石墨模具中进行成型，在真空热压烧结炉中进行烧结。在本发明中，所述真空热压烧结炉的真空度优选为1.0×10-2Pa以下。
本发明对所述冷却的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却方式即可，具体的，如随炉冷却。
在本发明中，所述碳酸锶在烧结温度下分解形成氧化锶，氧化锶与纳米氧化铝在烧结时发生固相反应，形成SrAl4O7相。SrAl4O7相的存在，使复合材料在中、高温区间的摩擦学性能方面有很大提高。尤其是在800℃时，复合材料的摩擦系数达到0.17以下。
本发明还提供了上述技术方案所述含有铝酸锶的复合材料在航空航天、核工程和军用装备领域中的应用。
在本发明中，本发明提供的含有铝酸锶的复合材料优选作为动力传输运动部件应用到航空航天、核工程和军用装备领域。
由于含有SrAl4O7的复合材料在高温下具有较低的摩擦系数，所以其能够应用于航空航天、核工程和军用装备领域中。
下面结合实施例对本发明提供的含有铝酸锶的复合材料及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成，Ni：53.76％，Cr：13.44％，纳米Al2O3：28.8％，SrCO3：4％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述镍、铬和纳米氧化铝的纯度均大于99.0％；所述纳米Al2O3的粒径为20nm。
制备方法为：
(1)将Ni、Cr粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属单质混合物，球磨时间10h，转速350r/min，球料比5：1；将纳米Al2O3和SrCO3粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属化合物混合物，球磨时间10h，转速350r/min，球料比5：1；将金属单质混合物和金属化合物混合物进行终混，得到混合料；所述终混时，湿法球磨的时间为16h，转速350r/min，球料比为5：1；
(2)称取35g的混合料放入石墨模具中进行成型，成型的压力为5MPa，成型的时间为40s；然后将上述石墨模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，先将真空热压烧结炉抽真空至1.0×10-2Pa，然后升温到1100℃，达到温度后施加压力30MPa，烧结时间为30min，随炉自然冷却，即得到含有SrAl4O7的复合材料，命名为NC30A-4SrCO3。
测定复合材料的X-射线衍射图谱，如图1中NC30A-4SrCO3所示，从图1可以看出，本实施例的复合材料中出现了monoclinic-SrAl4O7相。
采用球盘接触式高温摩擦试验机测试复合材料的摩擦学性能：盘为本发明的复合材料，球为Φ10mm氧化铝球。试验条件如下：载荷10N，转速300r/min，运行时间1h，大气环境，测试温度为400℃、600℃和800℃。
本实施例得到的含有铝酸锶的复合材料在400～800℃范围内的摩擦学性能如表1所示：
表1实施例1得到的复合材料的摩擦性能
温度 400℃ 600℃ 800℃
摩擦系数 0.37 0.30 0.16
磨损率(10<sup>-14</sup>m<sup>3</sup>·N<sup>-1</sup>·m<sup>-1</sup>) 0.88 5.93 1.52
实施例2
一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成，Ni：51.52％，Cr：12.88％，纳米Al2O3：27.6％，SrCO3：8％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述镍、铬和纳米氧化铝的纯度均大于99.0％；所述纳米Al2O3的粒径为30nm。
制备方法为：
(1)将Ni、Cr粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属单质混合物，球磨时间15h，转速300r/min，球料比10：1；将纳米Al2O3和SrCO3粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属化合物混合物，球磨时间15h，转速300r/min，球料比10：1；将金属单质混合物和金属化合物混合物进行终混，得到混合料；所述终混时，湿法球磨的时间为12h，转速300r/min，球料比10：1；
(2)称取35g混合料放入石墨模具中进行成型，所述成型的压力为10MPa，成型的时间为20s；将上述石墨模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，将真空热压烧结炉抽真空至1.0×10-2Pa，然后升温到1100℃，达到温度后施加压力20MPa，烧结时间为90min，随炉自然冷却，即得到含有SrAl4O7的复合材料，命名为NC30A-8SrCO3。
测定复合材料的X-射线衍射图谱，如图1中的NC30A-8SrCO3所示，从图1可以看出，本实施例的复合材料的相组成为Ni(Cr)固溶体、Al2O3和monoclinic-SrAl4O7。
采用实施例1中的测试方法测定复合材料的摩擦学性能，测试结果如表2所示：
表2实施例2得到的复合材料的摩擦性能
温度 400℃ 600℃ 800℃
摩擦系数 0.32 0.30 0.14
磨损率(10<sup>-14</sup>m<sup>3</sup>·N<sup>-1</sup>·m<sup>-1</sup>) 0.832 5.79 2.39
实施例3
一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成，Ni：49.28％，Cr：12.32％，纳米Al2O3：26.4％，SrCO3：12％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述镍、铬和纳米氧化铝的纯度均大于99.0％；所述纳米Al2O3的粒径为30nm。
制备方法为：
(1)将Ni、Cr粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属单质混合物，球磨时间15h，转速300r/min，球料比10：1；将纳米Al2O3和SrCO3粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属化合物混合物，球磨时间15h，转速300r/min，球料比10：1；将金属单质混合物和金属化合物混合物进行终混，得到混合料；所述终混时，湿法球磨的时间13h，转速300r/min，球料比10：1；
(2)称取35g的混合料放入石墨模具中进行成型，所述成型的压力为8MPa，成型的时间为30s；然后将上述石墨模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，将真空热压烧结炉抽真空至1.0×10-2Pa，然后升温到1100℃，达到温度后施加压力30MPa，烧结时间为60min，随炉自然冷却，即得到含有SrAl4O7的复合材料，命名为NC30A-12SrCO3。
测定复合材料的X-射线衍射图谱，如图1中的NC30A-12SrCO3所示，从图1可以看出，本实施例的复合材料的相是由Ni(Cr)固溶体、Al2O3、monoclinic-SrAl4O7和orthorhombic-SrAl4O7所组成。
采用实施例1中的测试方法测定复合材料的摩擦学性能，测试结果如表3所示：
表3实施例3得到的复合材料的摩擦性能
温度 400℃ 600℃ 800℃
摩擦系数 0.33 0.21 0.16
磨损率(10<sup>-14</sup>m<sup>3</sup>·N<sup>-1</sup>·m<sup>-1</sup>) 0.797 2.28 1.26
实施例4
一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成：Ni：47.04％，Cr：11.76％，纳米Al2O3：25.2％，SrCO3：16％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述镍、铬和纳米氧化铝的纯度均大于99.0％；所述纳米Al2O3的粒径为30nm。
制备方法为：
(1)将Ni、Cr粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属单质混合物，球磨时间20h，转速200r/min，球料比10：1；将纳米Al2O3和SrCO3粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属化合物混合物，球磨时间20h，转速200r/min，球料比10：1；将金属单质混合物和金属化合物混合物进行终混，得到混合料；所述终混时，湿法球磨的时间为16h，转速200r/min，球料比10：1；
(2)称取35g的混合料放入石墨模具中进行成型，所述成型的压力为10MPa，成型的时间为20s；将上述石墨模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，将真空热压烧结炉抽真空至1.0×10-2Pa，然后升温到1100℃，达到温度后施加压力20MPa，烧结时间为90min，随炉自然冷却，即得到含有SrAl4O7的复合材料，命名为NC30A-16SrCO3。
测定复合材料的X-射线衍射图谱，如图1中的NC30A-16SrCO3所示，从图1可以看出，本实施例的复合材料中不存在monoclinic-SrAl4O7相，已经完全转变为orthorhombic-SrAl4O7相。
采用实施例1中的测试方法测定复合材料的摩擦学性能，测试结果如表4所示：
表4实施例4得到的复合材料的摩擦性能
温度 400℃ 600℃ 800℃
摩擦系数 0.41 0.25 0.17
磨损率(10<sup>-14</sup>m<sup>3</sup>·N<sup>-1</sup>·m<sup>-1</sup>) 10.56 2.26 0.374
实施例5
一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料制成，Ni：44.8％，Cr：11.2％，纳米Al2O3：24％，SrCO3：20％；所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；所述镍、铬和纳米氧化铝的纯度均大于99.0％；所述纳米Al2O3的粒径为40nm。
制备方法为：
(1)将Ni、Cr粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属单质混合物，球磨时间20h，转速300r/min，球料比15：1；将纳米Al2O3和SrCO3粉末在行星式高能球磨机上采用湿法球磨混合得到金属化合物混合物，球磨时间20h，转速300r/min，球料比15：1；将金属单质混合物和金属化合物混合物进行终混，得到混合料；所述终混时，湿法球磨的时间为8h，转速300r/min，球料比15：1；
(2)称取35g的混合料放入石墨模具中进行成型，所述成型的压力为8MPa，成型的时间为30s；将上述石墨模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，将真空热压烧结炉抽真空至1.0×10-2Pa，然后升温到1100℃，达到温度后施加压力25MPa，烧结时间为60min，随炉自然冷却，即得到含有SrAl4O7的复合材料，命名为NC30A-20SrCO3。
测定复合材料的X-射线衍射图谱，如图1中的NC30A-20SrCO3所示，从图1可以看出，本实施例的复合材料的相组成为Ni(Cr)固溶体、Al2O3和orthorhombic-SrAl4O7。
采用实施例1中的测试方法测定复合材料的摩擦学性能，测试结果如表5所示：
表5实施例5得到的复合材料的摩擦性能
温度 400℃ 600℃ 800℃
摩擦系数 0.46 0.26 0.13
磨损率(10<sup>-14</sup>m<sup>3</sup>·N<sup>-1</sup>·m<sup>-1</sup>) 12.30 3.02 1.07
从表1～5可以看出，本发明的复合材料中因SrAl4O7相的存在，使复合材料在中、高温区间的摩擦学性能方面有很大提高。尤其是在800℃时，复合材料的摩擦系数达到0.17以下。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含有铝酸锶的复合材料，由包括以下质量百分含量的原料烧结得到，镍44.8～53.76％，铬11.2～13.44％，纳米氧化铝24～28.8％，碳酸锶4～20％；
所述铝酸锶的化学式为SrAl4O7；
所述烧结的温度为1100℃。
2.根据权利要求1所述的含有铝酸锶的复合材料，其特征在于，所述镍、铬和纳米氧化铝的纯度独立地大于99.0％。
3.根据权利要求1所述的含有铝酸锶的复合材料，其特征在于，所述镍、铬、纳米氧化铝和碳酸锶的形貌为粉末状。
4.根据权利要求1所述的含有铝酸锶的复合材料，其特征在于，所述纳米氧化铝的粒径为20～40nm。
5.权利要求1～4任一项所述含有铝酸锶的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镍、铬、纳米氧化铝和碳酸锶混合，得到混合料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合料依次进行成型、烧结和冷却，得到所述含有铝酸锶的复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述成型的压力为5～10MPa。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为1100℃。
8.根据权利要求5或7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的时间为30～90min。
9.根据权利要求5或7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的压力为20～30MPa。
10.权利要求1～4任一项所述含有铝酸锶的复合材料在航空航天、核工程和军用装备领域中的应用。
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