碳化硅及其复相陶瓷高温摩擦学特性的研究

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。与金属材料相比,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0.2MPa、摩擦速度在0.2～0.3m/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,Ws>15×10-8mm3.（N.mm）-1;Ⅲ区为中等磨损区,5×10-8mm3. （N.mm）-1<Ws<15×10-8 mm3.（N.mm）-1;Ⅳ区为轻微磨损区,Ws<5×10-8mm3.（N.mm）-1;不同的磨损区具有不同的磨损形式和机理,它们在一定的条件下可以相互转化。在空气中,当载荷小于0.4MPa和温度低于400℃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β-SiC试样的晶粒尺寸比α-SiC试样的小,显微结构也更均匀致密,β-SiC及其复相陶瓷的高温摩擦学性能优于α-SiC及其复相陶瓷;（2）SiC复相陶瓷中的第二相颗粒（如TiB2）因其“钉扎效应”改善了材料内部的应力分布,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及其复相陶瓷磨损表面的形貌和物质成分的变化;在600℃以上,摩擦表面出现由亚微米级颗粒组成的平滑薄膜层,氧化物的主要成分为无定形SiO2。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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 SiC 陶瓷的基本特性和在结构件中的应用
• 1.2 SiC 陶瓷的摩擦学性能
• 1.2.1 摩擦环境参数对 SiC 陶瓷摩擦磨损性能的影响
• 1.2.2 SiC 陶瓷的高温磨损机理
• 1.3 SiC 及其复相陶瓷的摩擦学研究进展
• 1.4 SiC 及其复相陶瓷自对偶摩擦的润滑
• 1.4.1 SiC 及其复相陶瓷对偶摩擦润滑方式
• 1.4.2 SiC 及其复相陶瓷对偶摩擦高温润滑剂
• 1.4.3 SiC 自润滑陶瓷
• 1.5 本文研究的目的和内容
• 第2章 实验研究
• 2.1 试样制备
• 2.1.1 试验用原料
• 2.1.2 试样制备工艺
• 2.1.3 性能的测试
• 2.2 高温摩擦磨损试验
• 2.3 结构分析
• 2.4 SiC 及其复相陶瓷摩擦学性能表征方法
• 第3章 SiC 陶瓷的高温摩擦磨损性能
• 3.1 前言
• 3.2 试验条件对 SiC 陶瓷高温摩擦磨损性能的影响
• 3.2.1 温度的影响
• 3.2.2 载荷的影响
• 3.2.3 摩擦里程的影响
• 3.2.4 摩擦速度的影响
• 3.2.5 摩擦系统介质的影响
• 3.3 SiC 晶型及其显微结构对高温摩擦学性能的影响
• 3.4 SiC 陶瓷高温摩擦化学
• 3.4.1 SiC 陶瓷低温摩擦化学
• 3.4.2 高温氧化
• 3.4.3 SiC 摩擦表面温度的计算
• 3.4.4 热力学分析
• 3.5 小结
• 第4章 碳化硅-碳化物复相陶瓷的高温摩擦磨损性能
• 4.1 SiC-Cf 复相陶瓷
• 4.2 SiC-WC 复相陶瓷
• 4.3 SiC-TiC 复相陶瓷
• 4.4 小结
• 2 复相陶瓷及其高温摩擦学性能'>第5章 原位合成 SiC-TiB₂复相陶瓷及其高温摩擦学性能
• 2-SiC 基复相陶瓷组成对其摩擦学性能的影响'>5.1 TiB₂-SiC 基复相陶瓷组成对其摩擦学性能的影响
• 2-SiC 基复相陶瓷高温摩擦学性能的影响'>5.2 环境参数对 TiB₂-SiC 基复相陶瓷高温摩擦学性能的影响
• 5.2.1 温度的影响
• 5.2.2 载荷的影响
• 5.2.3 高温摩擦氧化
• 5.2.4 断裂力学分析
• 5.3 小结
• 第6章 SiC 及其复相陶瓷高温磨损机理
• 6.1 SiC 及其复相陶瓷的磨损形式
• 6.1.1 犁削磨损和磨粒磨损
• 6.1.2 粘着磨损
• 6.1.3 剥离磨损
• 6.2 摩擦氧化动力学分析与塑性变形层的形成
• 6.2.1 摩擦氧化动力学分析
• 6.2.2 塑性变形与裂纹
• 6.3 SiC 及其复相陶瓷磨损的断裂力学机理
• 6.3.1 SiC 及其复相陶瓷裂纹核的形成
• 6.3.2 高温摩擦中裂纹扩展的应力强度因子理论
• 6.3.3 高温摩擦中裂纹扩展的 Grffith 理论
• 6.3.4 高温摩擦中裂纹的缓慢扩展与延迟破坏
• 6.3.5 显微结构对断裂的影响
• 6.4 SiC 及其复相陶瓷磨损动力学的研究
• 6.4.1 初始氧化层的形成
• 6.4.2 摩擦表面微凸体的磨损
• 6.4.3 摩擦表面严重磨损后临界氧化膜的形成
• 6.4.4 摩擦表面氧化物薄膜层磨损动力学
• 6.5 SiC 高温磨损图及磨损形式的转化
• 6.5.1 SiC 高温磨损图
• 6.5.2 高温磨损形式的转化
• 6.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录