中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

    仿生层状结构自润滑复合陶瓷由于其优异的综合性能和广泛的应用前景而倍受人们的青睐，但对其性能调控和可靠性控制的研究尚不够系统。本论文基于先进陶瓷材料的结构/功能一体化设计原则，分别设计和制备了Al₂O₃/Mo和Al₂O₃/Graphite两种可在高温和腐蚀环境下服役的层状结构自润滑复合陶瓷，系统研究了层状结构几何参数和界面形貌、参数与组分对材料力学性能和摩擦学性能的影响规律及作用机制。获得的主要研究结论如下：

    1.采用铺层-热压烧结的方法成功制备了Al₂O₃/Mo和Al₂O₃/Graphite两种层状自润滑复合材料。通过层状结构几何参数（层数、层厚和层厚比）的调控可显著改变裂纹尖端前弱界面层的有效作用部分及其对裂纹扩展能的消耗作用，进而实现材料力学性能的优化。优化后的氧化铝基层状复合材料均呈现出非脆性断裂特征，其断裂韧性和断裂功分别比传统块体氧化铝陶瓷提高了1.6倍和5.5倍。

    2.对于具有优异力学性能的Al₂O₃/Graphite层状复合材料，研究了氧化铝层和石墨层厚度对材料摩擦磨损性能的影响。在摩擦过程中，以层状形式分布的石墨润滑相更容易被拖敷到摩擦表面形成润滑膜和转移膜，进而减小材料表面的摩擦与磨损。层状几何参数的变化对弱界面润滑相体积分数及其间距有显著的影响，从而实现复合材料摩擦学性能的有效调控。在室温下与氧化铝球对摩时，其摩擦系数和磨损率可低至0.31和1.0×10^-5 mm³/Nm。

    3.将BaSO₄引入到Al₂O₃/Graphite层状复合材料的弱界面层中，采用铺层-SPS烧结方法成功制备了在室温至800 ℃温度范围内具有优异自润滑性能的Al₂O₃/Graphite-BaSO₄层状复合材料。并在此基础上，将MoS₂替代石墨润滑相发展了新型含原位合成BaMoO₄的Al₂O₃/MoS₂-BaSO₄复合材料。室温和中高温度段润滑剂的复配以及摩擦化学反应物的生成，可有效改善材料在不同温度段的摩擦学性能，进而实现材料在较宽温度范围内的连续润滑。基于润滑相组分优化的复合材料在室温至800 ℃温度范围内与Al₂O₃栓对摩时的摩擦系数均可保持在0.28~0.48之间，比块体Al₂O₃陶瓷/Al₂O₃栓摩擦副的摩擦系数降低了近60%。

    4.通过构筑界面微结构、引入界面过渡层和调控弱层组分的方法，分别制备了具有不同界面特性的氧化铝层状复合材料。微波纹型和锯齿型界面微结构不仅可利用其“互锁功能”显著增加复合材料的界面结合强度，而且还可以提高裂纹在界面的扩展路径和层间脱黏阻力，进而实现复合材料抗弯强度和断裂韧性的统一。基于界面过渡层和弱界面层组分的优化设计可进一步改善复合材料层间界面结合强度，提升材料的力学性能和摩擦学性能，并确保其服役可靠性。

    5.采用弱层强化原则和润滑相表层化相结合的设计思路，制备了具有高抗热震稳定性、高强度和高韧性的Al₂O₃/Mo-Al₂O₃和Al₂O₃/Graphite-Al₂O₃两种等层厚层状复合材料。这种新的结构设计能够有效控制残余应力在层间或颗粒间的分布，进而实现材料力学性能的进一步优化。同时，利用在空间（表面）均匀和对称分布的润滑剂，可使复合材料的每个面在特定环境下均可以获得优异的摩擦学性能，克服了层状结构复合材料的摩擦学各向异性。材料的抗弯强度和单层氧化铝陶瓷相当，断裂韧性和断裂功远大于单层氧化铝陶瓷，经多次高/低温循环试验后力学性能依然具有高于80%的保持率。

    6.结合西部苛刻工业环境密封部件的要求及应用特点，考察了新型Al₂O₃/Graphite-Al₂O₃层状复合材料在不同环境下的摩擦学性能。复合材料的表面结构特征及其腐蚀溶液种类和浓度对材料本身和边界润滑膜的承载能力具有重要的影响，进而使材料表现出不同的减摩和抗磨机理。复合材料的每个面在高压（10~45 MPa）、腐蚀（水、强酸、强碱）及含固体颗粒等苛刻条件可以获得优异的持久自润滑性能和耐磨性能。相对而言，垂直于层方向表面展现出更加优异的摩擦学性能，在水环境下其与Al₂O₃球对摩时的摩擦系数可低至0.15左右，在酸碱腐蚀环境下的摩擦系数可低至0.10以下，并且磨损率均可低至4.0~7.0×10^-6 mm³/Nm。