納米摩擦復(fù)合材料

納米陶瓷摩擦復(fù)合材料的研究進(jìn)展摘要：綜述了近幾年來(lái)納米陶瓷摩擦復(fù)合材料的制備方法、特性和摩擦性能的研究進(jìn)展。并對(duì)納米陶瓷摩擦復(fù)合材料的應(yīng)用研究和發(fā)展前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞納米陶瓷復(fù)合材料，摩擦性能，制備方法RESEARCHPRoGRESSIN

NANo—CERAMICFRICTIoN

CoM[PoSITESXiaozhanlong(CollageofMaterialscienceandEngineering,Hebeiuniteuniversity)Abstract:Newprogressinresearchonpreparationmethods，characteristicsandfrictionpropertiesofnano--ceramicfrictioncompositesinthelastfewyearsisreviewed．Theapplicationanddevelopmentofnano--ceramicfrictioncomposResareexpected．Keywords:nano--ceramiccomposite，frictionproperty，preparationmethod1引言納米復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的固相至少在一維以納米級(jí)大?。??100nm）復(fù)合而成的復(fù)合材料腳。納米陶瓷復(fù)合材料綜合性能好，特別是耐高溫性能突出。通過(guò)納米粒子的混入，使材料組分的微觀界面結(jié)構(gòu)得到明顯的改善，使復(fù)合材料的密度、硬度、摩擦磨損性能，特別是耐高溫結(jié)構(gòu)體系得到了優(yōu)化配置，此使材料在宏觀上獲得較好的綜合性能。納米陶瓷復(fù)合材料還具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。開(kāi)發(fā)的新型納米摩擦材料摩擦性能穩(wěn)定，熱衰退與熱恢復(fù)性能較好，特別是納米粒子的插入將增摩減磨有機(jī)地統(tǒng)一在一個(gè)體系中，特別是高溫摩擦磨損性能優(yōu)越。本文綜述了無(wú)機(jī)納米摩擦復(fù)合材料的制備方法、特性和摩擦性能的研究進(jìn)展。2納米陶瓷摩擦復(fù)合材料2．1分類根據(jù)納米相在復(fù)合材料中的分布情況，納米陶瓷摩擦復(fù)合材料分晶內(nèi)型、晶間型、晶內(nèi)一晶問(wèn)混雜型和納米一納米型。通常制備的納米陶瓷摩擦復(fù)合材料多為晶內(nèi)一晶間混雜型，納米顆粒分散在基體的晶粒內(nèi)和晶界上。納米一納米型復(fù)合材料是由納米顆粒分散劑和納米基體晶粒組成，將使復(fù)合材料產(chǎn)生一種全新的性能。納米陶瓷摩擦復(fù)合材料包括塊體、涂層和薄膜等材料。納米復(fù)合陶瓷塊體材料不僅具有不同于一般陶瓷的摩擦學(xué)規(guī)律和磨損機(jī)理，而且表現(xiàn)出優(yōu)異摩擦磨損性能oKear和Chen等研究表明[2--,3],納米TiO陶瓷的耐磨性要比粗晶TiO2陶瓷好得多；納米SiC的加入所形成的晶內(nèi)型A12OdSiC納米復(fù)合陶瓷改變了A1203陶瓷的磨損規(guī)律，摩擦磨損性能得到了提高。Lin等制備了的Mo]A1203納米復(fù)合涂層的耐磨性能是陶瓷材料的2倍。Voevodin等嘲研究了Y2O。穩(wěn)定的ZrO納米復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能，Y2o3的加入可以提高復(fù)合涂層的硬度、斷裂韌性、耐磨性和環(huán)境適應(yīng)性。從上述文獻(xiàn)報(bào)道可知，納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層材料具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。Bae和Gilmore成功研制了用于金屬表面上的TiN/MoS和TiB2/MoS納米薄膜材料，獲得了超強(qiáng)的耐磨性。2．2制備方法與主要性能丁碩等嘲采用原位自生法設(shè)計(jì)并制備了一種新型納米一微米顆粒增強(qiáng)B4C基復(fù)合材料A120 TiB/B4C,該復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，維氏硬度值達(dá)到2 8．8GPa,斷裂韌性高達(dá)8. 27MPa?m,耐磨性能大幅提高，KI?H、，達(dá)到26?；▏?guó)然等進(jìn)行了激光熔覆納米AI。0。等離子噴涂陶瓷涂層和激光重熔納米SiC復(fù)合陶瓷涂層組織和性能研究01。納米A120改性涂層的顯微硬度較高，納米SiC涂層組織細(xì)化，孑L隙率降低，且其耐磨性能明顯優(yōu)于等離子噴涂層。田春艷等通過(guò)粉末冶金的方法制備了納米改性的TiC基金屬陶瓷刀具，并對(duì)添加納米TiN提高刀具耐磨損性能的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了研究叫。納米TiN在晶界上的分布阻礙了TiC晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化了金屬陶瓷組織，提高了強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，使金屬陶瓷刀具的耐磨損性能提高。王亞明等采用交流微弧氧化法，在NazSi0。一(NaP0z)6-Na~VIo0 溶液中制備了Ti14V表面氧化物陶瓷涂層。涂層同GCr鋼對(duì)摩時(shí)的摩擦系數(shù)僅為0.18—0.20,涂層的磨損機(jī)制主要是輕微磨粒磨損與粘著磨損。宋世學(xué)等采用熱壓燒結(jié)工藝，成功制備A1。OJTiC納米復(fù)合刀具材料吲。與同組分的微米級(jí)刀具材料(LT55)相比，納米復(fù)合刀具材料的抗彎強(qiáng)度(1050MPa)和斷裂韌性(8. 9MPa?m)有很大提高。切削性能試驗(yàn)表明，在連續(xù)車削淬火鋼和鑄鐵時(shí)，納米復(fù)合刀具材料的耐磨性能是LT55的兩倍。Jordan等人用等離子體噴涂技術(shù)制備了A1。od'rio體系納米復(fù)合涂層，其耐磨性能比常規(guī)的A1ood'rio。體系的陶瓷涂層提高了［1…51。丫W(wǎng)ang［利用納米材料的優(yōu)異特性，采用熱噴涂技術(shù)，首次成功地將大小50—100nin的納米級(jí)FeS顆粒噴涂在不同的材料表面，制備出具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料涂層。涂層組織具有細(xì)小層片狀特征，層片間距多在150am以下，依稀可見(jiàn)納米尺度特征。涂層可使承載能力提高l5倍以上，還使摩擦因數(shù)降低到0. 1o程森等［1 181采用復(fù)合電鍍法在l_5mm厚的A3鋼板上制備了含有納米SiC的鎳基復(fù)合鍍層，鍍層的顯微硬度為4．12GPa,為純鎳鍍層的3倍，復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)小、耐磨性能好，磨損體積是純鎳鍍層的1／8oPRASADSV等利用電鍍法，成功研制了納米薄膜材料用于金屬表面上的復(fù)合鍍層，可獲得超強(qiáng)的耐磨性，自潤(rùn)滑性ZnO/WSo納米復(fù)合膜。唐毅等采用膠體溶液法，在普通粉料FM650中添加納米A12OJSiO。材料制成電站高溫耐磨涂料。分別經(jīng)80°C/150°C加熱并保溫3h固化處理后，再經(jīng)700°C加熱30min。涂層的結(jié)合強(qiáng)度從2．90MPa提高到了3．49MPa，采用單面涂層降低氣孑L對(duì)強(qiáng)度的影響，涂層強(qiáng)度從6．26MPa提高到了10．43MPa，耐磨性和致密性均有很大提高。YWang[2利用電泳沉積法制得的Ni-WC--Co納米涂層有著非常優(yōu)異的耐磨性能。先在304不銹鋼基底上電鍍一層鎳，其厚度為20—30m。把納米WC和Ni顆粒均勻混合，并加入丙酮等添加劑配制成膠質(zhì)懸濁液，用作電泳沉積液。沉積過(guò)程中，攪拌沉積液，電壓為直流600V，沉積時(shí)間為10-20min，燒結(jié)溫度分別為1100C和1150oC。涂層結(jié)合強(qiáng)度高，涂層結(jié)構(gòu)均勻致密，表面光潔度好，厚度及成分容易控制。燒結(jié)的納米復(fù)合涂層磨損體積最小，約為304不銹鋼，鍍鎳層的1/2。1150oC燒結(jié)后的涂層的磨損表面相對(duì)平整、光滑，沒(méi)有磨屑產(chǎn)生。3結(jié)束語(yǔ)納米陶瓷耐磨復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但還有許多基本理論和工藝技術(shù)問(wèn)題需要探索和研究。(1)應(yīng)從理論上系統(tǒng)研究納米粉體致密化和晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程，建立新的燒結(jié)行為和動(dòng)力學(xué)理論。(2)開(kāi)發(fā)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的燒結(jié)技術(shù)，將納米

增強(qiáng)相粒徑控制在20nm以下甚至更小。(3)新方法和新工藝的研究應(yīng)受到重視，制備出低成本高性能的產(chǎn)品。(4)建立起組成、顯微結(jié)構(gòu)、界面特性和不同工況及環(huán)境條件等與摩擦學(xué)性能之間的聯(lián)系，為納米無(wú)機(jī)耐磨復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。參考文獻(xiàn)⑴吳人潔．復(fù)合材料．天津：天津大學(xué)出版社，2000⑷CJ，⑷CJ，Yang CC，WeiWCJ．Processingand1．Onthe processingandnanocrystallineceramics．SeriptaMater．，2001，44：2065--20683⑶ChenIW，WangXH．Sinteringdensenanoerystallineceramicswithoutfinalstagegr⑵KearB H，KolaizziJ，MayoWE，etaaingrowth．Nature，2000，404：168-171compositesmicrostructureof nano-Mo／AI20scompositesfromMoCVDandfluidizedbed．Microstruct．Mater．，1999，11(8)：1361-1377⑸VoevodinAA，Hu JJ，F(xiàn)itz TA，et a1．Tfibologicalpropertiesofadaptive nanocompositecoatingsmadeofyttriastabilizedzirconiaandgold．Surfndgold．Surf．Coat．Tcchno1．2001，146／147：351-356⑹BaeYW，Lee WY⑹BaeYW，Lee WY，YustCS，eta1．Synthesisandfrictionisandfrictionbehaviorof chemicallydepositedbehaviorof chemicallydepositedompositescoatingsompositescoatingscontainingdiscreteTiNandMoS2phass．J．Am．CeramcontainingdiscreteTiNandMoS2phass．J．Am．Ceram．Soc．1996，79：819-824⑺GihxloreR。Baker MA，GisslerN'et a1．low-frictionreparationandcharacterizationoflow-frictionTiB2-basedcoatings byincorporationMoS》Surf．Coat．Tcchno1．，1998，105：45-50⑻丁碩，溫廣武，雷廷權(quán)等生法制備納米一微米顆粒增強(qiáng)B‘C基復(fù)合材料．材料工程，2002，(5)：14_17⑼花國(guó)然，黃因慧，趙劍峰等．激光熔覆納米D3等離子噴涂陶瓷涂層．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2004，14(2)：199-203⑽花國(guó)然，黃因慧，趙劍峰等．激光重熔納米SiC復(fù)合陶瓷涂層組織和性能研究．中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(8)：739—7田春艷，姜海，劉寧.納米TiN提高金屬陶瓷刀具耐磨損性能的機(jī)理研究．現(xiàn)代制造工程，2004，(2)：86-87王亞明，蔣百靈，雷廷權(quán)等.TiA表面微弧氧化陶瓷涂層的結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)特性．摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(5)：371-375宋世學(xué)，艾興，趙軍.2onc納米復(fù)合刀具材料的制備及切削性能研究沖國(guó)機(jī)械工程，2003；14(17)：1523—1526JordanEH，GeIIM，SohnYH，eta1.FabricalionandevaluationofplasmasprayednanostructuredaIuminatitaniacoatingswithsuperiorproperties.MateriaIsScienceandEngineering，2001，A301：80-89(15)ShawLL，GobermanD，RenReta1.TheDependencyofmicrostructure andpropertiesofnanostructuredcoatingsonpIasmasprayconditions.SurfaceandCoatingstechnoIogy， 2000.130：1—8(16)YWang.Nanoandsubmicron—structuredsuIfideseIf—IubricatingcoatingsproducedbythermaI sprayi