氧化锆陶瓷基高温自润滑材料

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陶瓷在高温下具有非常优异的力学性能，非常适合在高温下应用。在众多结构陶瓷中，氧化锆陶瓷因具有相变增韧效应而引起了越来越多的关注，具有广泛的应用前景。ZrO，陶瓷属于新型陶瓷，具有十分优异的物理、化学性能，不仅在科研领域已经成为热点，而且在工业生产中也得到了广泛应用，是耐火材料、高温结构材料和电子材料的重要原料。而且，ZrO：的高温热稳定性、隔热性能最好，最适宜做陶瓷涂层和高温耐磨材料 J。但是摩擦因数过高的缺点，严重限制了氧化锆陶瓷的应用，随着氧化锆陶瓷材料研究的不断深入，其摩擦学研究显得很有必要。

以氧化锆为抗磨基体，复配固体润滑剂来制备 自润滑复合物被视为为-种解决高温下材料润滑重要的途径3 J。虽然 目前国内外对氧化锆陶瓷材料的摩擦学行为研究已有初步报道，但对其摩擦学的系统研究还收稿 日期：2012-12-10基金项 目：国家 自然科学基金资助(51075383)；中国航天科技集团公司基雌研项 目资助(360930403)作者简介：孔令乾，1984年出生，博士研究生，主要从事高温 自润滑材料的研究通讯作者：毕秦岭 ，研究员，主要从事高性能摩擦材料的研究。E-mail：qlbi###licp.CaS.ca宇航材料工艺 http：//第 l期 - 55-很少，特别是有关氧化锆陶瓷高温自润滑复合材料还没有系统研究，并且，目前对于氧化锆陶瓷摩擦学性能的研究主要集中在室温 -800oC。但在更广的温度范围内(室温 ～1 000cC)，氧化锆陶瓷的力学和摩擦学性能还没有系统报道。现代科学和技术的发展，使得宇航、能源和机械等领域迫切要求发展温度适用性更广的高温 自润滑材料。因此研究氧化锆陶瓷在更宽温度下的摩擦学性能十分必要。本文采用热压烧结的方法以 Mo、MoS2、BaF2、CaF2、BaF2/CaF2、CuO等为固体润滑相制备了-系列氧化锆陶瓷基高温自润滑材料，取得了令人满意的效果，使得氧化锆陶瓷复合物在高温下作为摩擦部件使用成为可能。

1 实验ZrO (Y：0，)粉用高能球磨法在实验室中制备，粒径为 0.5-2 m，Mo、MoS2、BaF2、CaF2、BaF2/CaF2、CuO等固体润滑相粒径 10～30 m(分析纯，国药)。样品由热压烧结制备，抛光后在 HT-1000高温摩擦试验机(中科凯华)做摩擦实验。实验条件为：温度：20～1 000oC，载荷：10 N，滑动速率：0.2 m/s。

2 结果与讨论2.1 ZrO2(Y203)-Mo-BaF2/CaF2系列复合物ZrO2(Y203)-Mo-BaF2/CaF 复合物与SiC球对磨在800-1 000℃均取得较低的摩擦因数，1 0o0℃摩擦因数达 0.28左右。如图 1所示，ZrO (Y 0，)-5Mo-IOBaF2/CaF2(wt)复合物在室温 -1 O00C内均具有较低的摩擦因数，从室温时0.45降低到 1 O00C时的0.28，且在高温阶段(800-1 000℃)其磨损率也最低，1 000oC时达9.46x10 mm /N·m 。

磨损表面 XRD显示 在 600C时 ZrO2(Y203)-Mo-BaF /CaF 有 BalVloO 生成。钼酸盐作为-种被广泛报道的固体润滑剂，具有良好的润滑性能，可以使该复合物的摩擦因数显著降低 J。

辍圜辎I卧温度/C图 1 ZrO2(Y203)-lOMo-5BaF2/CaF2的摩擦因数Fig.1 Coefficient of friction of the ZrO2(Y203)-lOMo-513aF/CaF2 composite- 56 - 2.2 ZrO2(Y2O3)-MoSz-CaF2系列复合物为在较宽温域内获得较好的摩擦磨损性能，制备了 ZrO2(Y 03)-MoS2-CaF2系列复合物。研究表明在与 SiC对磨时，该系列复合物在室温 ～400oc和800- 1 000℃均具有较低的摩擦因数，如图 2所示。其中，ZrO2(Y203)-IOMoS2-30CaF2复合物与 SiC陶瓷球对磨时在 800-1 000℃摩擦因数最低，800oC时为0.30，1 000oC时为0.22(图3)。而且，ZrO2(Y203)-lOlloS -IOCaF 复合物与 SiC陶瓷球对磨在 1 000oC时磨损率为 1.54x10 mm /N·m(图4)。

籁圜辎瞥温度/'tC图2 ZrO2(Y203)-IOMoS2-IOCaF2(ZMCIO)、ZrO2(Y203)-IOMoS2-30CaF2(ZMC30)的摩擦因数Fig.2 Coeficient offriction ofthe ZrO2(Y203)-IOMoS2-IOCaF2 and ZrO2(Y203)-IOMoS2-30CaF2 composite辍盟辎斟时间/rain图 3 ZrO2(Y203)-IOMoS2-30CaF21 O00C时的摩擦因数Fig.3 Coeficient of friction of the ZrO2(Y203)-IOMoSz-30CaF2 composite at 1 O00C妻鬈温度，℃图4 ZrO2(Y203)-IOMoS2-IOCaF2复合物的磨损率Fig.4 Wear rate of the ZrO2(Y203)-IOMoS2-lOCaF2 composite宇航材料工艺 htp：// 2013年 第 1期2.3 ZrO2(Y2O3)-Mo-CuO系列复合物对于氧化铜可以改善氧化锆陶瓷的摩擦磨损性能，近期已有大量报道 4m ，但是仍可以看出ZrO(Y O，)-CuO复合物的摩擦因数偏高(尤其是高温时)。因此制备了 ZrO2(Y203)-5Mo-5CuO复合物，希望获得在高温时摩擦磨损性能均较好的复合物。

如图 9显示，ZrO2(Y2O3)-5Mo-5CuO复合物 与A1 0，陶瓷球对磨在高温时摩擦因数较低，在 700℃时摩擦因数为0.24，在 80&C时达到0.19，同时保持较低的磨损率。

籁盥世图9 ZrO2(Y 0，)-5Mo-5CuO复合物在不同温度下摩擦因数Fig.9 The coefficient offriction ofthe ZrO2(Y2 03)-5Mo-5CuOZrO2(Y2O3)-IOMoS2-IOBaF2和 ZrO2(Y2O3)-IOMoS2-10BaF /CaF 复合物同样在较宽温域内具有较好的摩擦磨损性能，ZrO2(Y2O3)-10MoS2-IOBaF2复合物在 1 000℃时其摩擦 因数为 0.34，并且，ZrO(Y2O3)-10MoS2-IOBaF2/CaF2复合物在 1 000℃时摩擦因数为0.24，且磨损率较低。

通过表征可知以上各种复合物在高温时表现出优异的摩擦学性能，主要是由于 ZrO 基体的抗磨损性能较好，同时在高温下形成钼酸盐(钼酸钡、钼酸钙)。钼酸盐是-种很好的高温固体润滑剂，可以在1 000oC时把ZrO 基体复合物的摩擦因数降低到0.2- 0.3。如此优异的摩擦学性能对于其他材料来说是很难达到的。而且，钼酸钡的熔点为 1 480oC，ZrO的熔点为2715aI，所以我们完全有理由相信 ZrO(Y2O3)-Mo-BaF2/CaF2复合物和ZrO2(Y2O3)-MoS2- BaF：复合物能将这种优异的摩擦学性能延续到 1500℃左右。所以，以上几种复合物非常适合在高温情况下应用，具有广泛的应用前景。

3 结论(1)ZrO：(Y2O )-5Mo-10BaF /CaF：复合物在室温 ～1 000℃均具有较低的摩擦因数，从室温时的0.45降低到 1 000℃时的0.28，而且磨损率 1 000oC时达到9.46x10 mm /(N·m)。

(2)与 SiC陶瓷球对磨时 ZrO2(Y2O3)-10MoS2-30CaF 复合物 1 000C时摩擦因数最低为 0.22，ZrO：(Y O3)-10MoS2-10CaF 复合物 1 000C时磨损率最低为 1.54 x 10 mil。/·。ZrO2(Y203)-IOMoS2-IOCaF 复合物在 与 A1 O，球 对磨 时在室温 到 1000℃摩擦因数均较低。

(3)ZrO2(Y：O3)-5Mo-5CuO复合物与 A12O3陶瓷球对磨在高温时摩擦因数较低，在 700oC时摩擦因数为O.24，在 800C时达到0.19，同时保持较低的磨损率。

综上所述，氧化锆陶瓷作为抗磨基体掺杂 Mo、MoS2、BaF2、CaF2、BaF2/CaF2、CuO等固体润滑相，利用其协同润滑作用可以获得-系列摩擦磨损性能均优异的氧化锆基高温自润滑材料。从而使氧化锆摩擦部件在高温下应用成为可能。