氧化物超导复合材料摩擦学性能及机理研究

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1、摘要八十年代末，A．Dayo和J．Krim等利用石英晶体微天平(QCM)研究金属Pb表面与在其上流动的氮气的界面摩擦，发现当温度降到Pb的超导转变温度时摩擦力突然大幅降低，提出了摩擦能量的耗散来源于电子和声子，把宏观的摩擦和原子结构联系起来。低温摩擦具有很强的实用背景，如超导装置、空间红外探测器、液氢泵和液氧泵轴承等都工作在低温下。纯金属要在液氦温度下才能实现超导转变，液氦昂贵价格，限制了其实际应用。而氧化物高温超导材料YBa2Cu307．6(YBCO)，Bi2SrECan．1Cun02n+4n=2，3(BSCC

2、O)在液氮温度下可实现超导转变，研究其摩擦学性能具有理论意义和实用价值。本研究的主要工作如下：1．采用溶胶．凝胶法制备YBCO粉体，PbO和Ag以不同的质量分数分别添加到YBCO中，制备了PbO／YBCO和Ag／YBCO两种超导体复合材料，对其物相和显微组织进行表征，检测超导复合材料的力学性能和超导性能，分别研究了样品在低温、常温常压、真空及高温环境下的摩擦磨损性能。2．摩擦测试结果表明：室温下YBCO与不锈钢对摩，摩擦系数为0．40"-'0．60，平均为0．50，液氮温度下YBCO处于超导态(T<黝，摩擦系数急

3、剧下降，摩擦系数为0．20"--0．25，最后稳定在O．20以下。PbO／YBCO复合材料在摩擦过程中，摩擦表面形成了转移膜，起到降低摩擦系数的作用。PbO在烧结过程中与少量的YBCO反应生成氧化物BaPb03，使晶粒之间的界面结合牢固，PbO／YBCO复合材料的密度、硬度、耐磨性能得到提高。3．XRD、SEM和TEM结果表明：Ag与YBCO不发生化学反应，Ag／YBCO复合材料密度和韧性得到提高。摩擦测试结果得到：Ag／YBCO摩擦系数为0．20"-"0．30，10％Ag／YBCO摩擦系数为0．20，磨损率为8

4、．96x10～mm3-(N·m)一。在100--一500。C温度下，10％Ag／YBCO摩擦系数为0．10～0．20，真空下YBCO的摩擦系数为0．40"--0．60，真空环境对摩擦系数没有明显的影响作用。4．采用固相反应法制备了Bi2212和Bi2223粉体，添加不同质量分数的Ag制备了Ag／Bi2212和Ag／Bi2223两种超导体复合材料。对样品的显微结构与力江苏大学博士学位论文：氧化物超导复合材料摩擦学性能及机理研究学性能进行了表征。摩擦测试结果表明：Bi2212与不锈钢对摩，摩擦系数为0．30～0．4平

5、均为O．35，在液氮温度下Bi2212处在超导态，摩擦系数急剧下降，最后稳定在O．11。Bi2223与不锈钢对摩，摩擦系数为0．30"---0．50，平均为O．40。在液氮温度下Bi2223处在超导态，摩擦系数下降到0．17。在常温、J下常载荷和滑行速度下，10％Ag／Bi2212复合材料摩擦系数为0．20，15％Ag／Bi2212磨损率最低，为9．5xlff5mm3·(N．m)一。20％Ag／Bi2223摩擦系数为0．20--一0．35，5％Ag／Bi2223的磨损率最低，为1．78x10一mm3．(N·m、～

6、。5．在宏观摩擦实验中印证了J．Krim等提出的电子摩擦理论，讨论了氧化物超导复合材料的摩擦机理。Ag添加到超导体中抑制裂纹萌生和扩展，在摩擦作用下向表面转移，在摩擦表面形成一层Ag转移膜，硬基底承载与软金属转移膜润滑作用使得超导复合材料表现出良好的减摩耐磨性能。关键词：YBCO，BSCCO，Ag，超导转变温度，润滑，摩擦学性能ABSTRACTA．DayoandJ‘KrimhadstudiedtheinterfacefrictionofPbsurfaceandnitrogenmoleculeadsorbedoni

7、twithquartzcrystalmicrobalance(QCIVD，andtheyobservedthefrictiondroppedabruptlywhenthetemperaturewascooledtothesuperconductingtransitiontemperature(TC=7．2K)ofPb，andtheyproposedthefrictionoriginatedfromtheelectronandphonon．Theyassociatedmacroscopicfrictionwitha

8、tomicstructureatfirst．Thelowtemperaturefrictionhasverystrongpracticalbackground，suchasthesuperconductingdevice，thespatialdetector,theliquidhydrogenpumpandtheliquidoxygenpumpbearingworkund