碳化硅及其复相陶瓷高温摩擦学特性的研究

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1、湖南人学研究生院博十学付论文摘要SiC陶瓷作为摩擦学构件已获得广泛应用，关于SiC的摩擦学研究已成为当前陶瓷摩擦学研究的热点之一。与会属材料相比，人们对陶瓷材料摩擦学特性的认识还很不充分，有关SiC陶瓷的高温摩擦学性能和磨损机理的研究报道则更少。本文对SiC及其复相陶瓷的高温摩擦学性能、高温磨损机理进行了较系统的研究。系统地研究了SiC陶瓷从室温～1000℃的摩擦学特性，探讨了摩擦环境参数(环境温度、外加载荷、摩擦速度，摩擦里程和介质)对SiC陶瓷高温摩擦系数、比磨损率(Ws)的影响。当温度为600℃～1000℃、载荷为O．2MPa、摩擦速

2、度在0．2～O．3m／s时，SiC／SiC的高温摩擦磨损性能较好，自对偶的高温磨损在空气中比在真空中大。通过系统地研究载荷和温度对比磨损率的影响，首次得出SiC，SiC的高温磨损图。该图分为四个区；(I+II)区为严重磨损区，IVs>15×104mm3．fMmm)～；Ⅲ区为中等磨损区，5x10—8mm3．(N．mm)一1

3、400"C时，SiC／SiC的磨损为轻微磨损，磨损机理由犁削磨损和磨粒磨损控制：随着温度的升高，磨损由轻微磨损过渡到中等磨损，磨损机理由粘着磨损控制。当载荷大于0．4MPa时，随着温度的升高，磨损由中等磨损过渡到严重磨损；磨损形式由粘着磨损或磨粒磨损向剥离磨损转化，磨损机理由粘着磨损、磨粒磨损和剥离磨损构成复合磨损控制。研究了SiC及其复相陶瓷的物相组成和显微结构对SiC陶瓷高温摩擦学性能的影响。结果表明：(1)由于6一SiC试样的晶粒尺寸比a—SiC试样的小，显微结构也更均匀致密，6．SiC及其复相陶瓷的高温摩擦学性能优于Q．SiC及其复

4、相陶瓷；(2)SiC复相陶瓷中的第二相颗粒(如TiB2)园其“钉扎效应”改善了材料内部的应力分弁，并形成弹性桥联和摩擦桥联，使裂纹扩展途径偏转，提高了材料的高温摩擦学性能。设计并制备了SiC．Cf、SiC．WC、SiC．TiC和SiC．TiB2四种具有良好高温摩擦学性能的复相陶瓷。高温摩擦磨损试验结果表明其高温摩擦系数和比磨损率比纯SiC陶瓷的低，其原因与复相陶瓷的第二相增强增韧和促进摩擦氧化有关。设计组成和结构合理的SiC复相陶瓷是降低SiC陶瓷摩擦磨损的有效办法。采用SEM、TEM、XRD和XPS等现代测试分析技术，研究了SiC及其复相

5、陶瓷磨损表面的形貌和物质成分的变化；在600。C以上，摩擦表面出现由Ⅱ微米级颗SiC及其复丰H陶瓷高温睁擦学特性的研究粒组成的平滑薄膜层，氧化物的主要成分为无定形Si02。SiC复相陶瓷的高温摩擦化学反应主要是SiC、TiC、WC和TiB2等的摩擦氧化。由于氧化物薄膜层的硬度较SiC陶瓷低，易于产生晶格畸变，摩擦表面具有一定的塑性变形能力，提高了裂纹失稳扩展的门槛值，在高温磨损中起到了很重要的减磨和润滑作用，使SiC及其复相陶瓷出现高温自润滑现象。门槛值与摩擦环境参数和摩擦表面性状密切有关，存在一个上限值和下限值，在上、下限值之间，裂纹处于

6、亚稳扩展状态，延迟了断裂的产生。氧化物薄膜层的存在和破坏是一个动态平衡的动力学过程，与薄膜层生成速度(vF)、破坏速度(VD)和磨屑的移走速度(vM)密切相关。关键词：碳化硅：高温摩擦磨损；磨损机理；摩擦化学；高温自润滑；原位合成II湖南大学研究，f：院博十学舒论文AbstractSiCceramicshasbeenobtainingmoreandmoreapplicationsastribologiealcomponents，andtheresearchonfrictionandwearofSiCbecomesafocusofcerami

7、ctribology．Comparedwithmetallicmaterials，theunderstandingonthefrictionandwearofceramicsisquitepoor,espaieallyonthetribologicalcharacteristicsandwearmechanismofSiCatelevatedtemperatures．Here，．wetrytomakeasystematicinvestigationonthefrictionandwearcharacteristicsofSiCandSiCb

8、asedcompositesatelevatedtemperatures．ThetribologicalcharacteristicsofSiCceramicswereinves