高温发汗自润滑金属陶瓷的制备、表征及摩擦学特性研究

论文摘要

高温发汗自润滑是基于生物体汗腺结构和发汗原理提出的一种新型自润滑技术,其材料是由汗腺式微孔金属陶瓷硬质相和多元润滑剂软质相组成的互穿网络结构复合体,其润滑机理是在高温摩擦热—应力作用下将复合体中的润滑剂沿着汗腺式有序孔通道扩散至摩擦界面实现自补偿润滑:该研究是在国家自然科学基金的资助下完成的。本文在回顾多孔材料、高温固体自润滑材料以及仿生结构材料的发展与研究现状基础上,基于人体汗腺结构与发汗机理,首次提出高温发汗自润滑的概念;并采用二次复合造孔法,在真空条件下制备出具有汗腺式微孔金属陶瓷基体;通过真空压力熔浸多元固体润滑剂,制备出了高温发汗自润滑复合材料;并对其设计理论、微观结构、摩擦学特性及自润滑机理进行了系统的研究。为实现汗腺式微孔表层分布的有序化和内胞孔的相互贯通化,文中基于高温扩散自润滑机理和人体汗腺结构特征,通过结构和功能仿生模拟,建立了汗腺式微孔结构特征模型;基于烧结过程中孔隙演化的分析,对该模型进行了统计数学分析,探讨了孔结构形态、尺寸、孔径分布及孔隙度的可控机理。为实现汗腺式烧结体的孔结构可控和强韧性可控的双重目的,论文在对材料基体组分进行摩擦学设计的同时,组合出一种能在烧结过程中逐级分解的复合造孔剂孔—TiH2+CaCO3复合体,并辅以Al2O3超细颗粒为弥散质点;创新出一种二次复合造孔的液-固相烧结新工艺,制备出了具有均匀开口于表层且内互贯通的有序孔汗腺式高强度基体。为实现汗腺式金属陶瓷的高温自润滑,论文基于软金属的成膜特点、湿润性和熔点差,组合出一种以Pb-Sn-Ag-RE为主体的复合固体润滑剂;并采用真空压浸工艺熔渗进汗腺式高强基体中,实现了发汗金属陶瓷的高温自润滑功能。文中以制备出的TiC-FeCrWMoV系高温发汗自润滑金属陶瓷为典型研究对象,微观分析了其孔隙结构特征、力学性能和摩擦学特性。实验和理论分析表明:所制备的金属陶瓷自润滑材料,其孔隙形态呈规则的圆形或方形,孔径分布均匀且服从瑞利分布规律,硬质相与润滑相互相贯穿成网络状;既具有高的压溃强度和耐磨性,又具有良好的高温自润滑性能(600℃时,平均摩擦系数为0.26～0.29,磨损率为6.3×10-6～9.6×10-6mm3/Nm)。EDXA和XRD的磨损表面分析表明,该材料在摩擦磨损过程中,润滑组元可通过微孔通道扩散析出材料基体,在摩擦表面形成一层含有Pb、Sn、Ag、Cu等元素的复合润滑膜。文中基于SEM表面形貌分析,探讨了高温扩散自补偿润滑膜结构特征和成膜机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高温固体自润滑材料的研究概况
• 1.1.1 高温固体自润滑材料的研究与进展
• 1.1.2 工业应用与展望
• 1.2 多孔工程材料的研究与应用
• 1.2.1 多孔金属材料
• 1.2.2 多孔非金属材料
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 仿生结构材料的研究与进展
• 1.3.1 发展现状
• 1.3.2 发展趋势
• 1.4 课题研究的背景
• 1.5 课题研究的内容、目的及意义
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究内容及拟解决的关键问题
• 1.6 课题研究的技术路线
• 第2章 汗腺式结构材料的仿生设计及其数学描述
• 2.1 引言
• 2.2 结构设计的基本约定
• 2.3 汗腺式微孔结构的仿生设计
• 2.4 孔隙结构客观理论
• 2.4.1 粉末压坯的孔隙度
• 2.4.2 孔隙演化的数学表征
• 2.5 微孔结构的数学表征
• 2.5.1 孔隙结构模型的数学描述
• 2.5.2 平均孔径（?）和比例常数k
• 2.6 本章结论与分析
• 第3章 汗腺式高温自润滑金属陶瓷体的制备工艺
• 3.1 引言
• 3.2 设计原则及增强增韧机制
• 3.3 基材组元的初步设计
• 3.4 增强增韧设计
• 3.5 耐磨性设计
• 3.6 造孔剂的复合设计
• 3.6.1 造孔剂类型的选择
• 3.6.2 造孔剂的复合
• 3.7 汗腺式高温自润滑金属陶瓷体的制备
• 3.7.1 主要试验原料
• 3.7.2 制备方法的选择
• 3.7.3 汗腺式金属陶瓷体的制备工艺
• 3.8 本章结论与分析
• 第4章 汗腺式金属陶瓷体的微观结构与性能表征
• 4.1 引言
• 4.2 烧结体特征参数和性能表征
• 4.2.1 密度
• 4.2.2 孔隙度、孔隙结构、孔隙尺寸及孔径分布
• 4.2.3 压溃强度和轴向收缩率
• 4.2.4 显微硬度
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 孔隙结构
• 4.3.2 基体成分对孔隙度和力学性能的影响
• 4.3.3 粉末粒度和成形压力对孔隙结构影响
• 4.3.4 烧结温度、烧结时间对孔隙结构和力学性能的影响
• 4.3.5 造孔剂添加量对孔隙度和孔隙结构的影响
• 4.3.6 孔隙度对烧结体压溃强度和轴向收缩率的影响
• 4.4 汗腺式微孔烧结体孔径分布的模拟及验证
• 4.5 本章结论与分析
• 第5章 多元固体润滑剂设计及真空熔浸工艺研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验材料及试验设备
• 5.2.1 主要试验原料
• 5.2.2 主要试验设备
• 5.2.3 软金属Pb、Sn、Ag与基体粉末的润湿性
• 5.3 制备工艺流程及工艺过程分析
• 5.3.1 制备工艺流程
• 5.3.2 熔浸合成工艺
• 5.4 高温发汗自润滑复合材料的制备与表征
• 5.4.1 高温发汗自润滑复合材料的制备
• 5.4.2 高温发汗自润滑复合材料的表征
• 5.5 试验结果分析与讨论
• 5.5.1 高温发汗自润滑金属陶瓷的微观组织
• 5.5.2 Sn含量对压溃强度和残余孔隙度的影响
• 5.5.3 Ag含量对压溃强度和残余孔隙度的影响
• 5.5.4 RE含量对相对密度、压溃强度和残余孔隙度的影响
• 5.5.5 熔浸工艺对相对密度和残余孔隙度的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 高温发汗自润滑金属陶瓷的摩擦学特性
• 6.1 试验研究方法
• 6.1.1 试验设备
• 6.1.2 摩擦磨损试验
• 6.2 摩擦磨损试验结果
• 6.2.1 试验温度对摩擦磨损性能的影响
• 6.2.2 试验载荷对摩擦磨损性能的影响
• 6.2.3 摩擦副材料对摩擦磨损性能的影响
• 6.2.4 摩擦系数
• 6.2.5 摩擦磨损表面形貌
• 6.3 分析与讨论
• 6.4 高温发汗自润滑复合材料的自润滑机理
• 6.4.1 自润滑复合材料的减摩机理
• 6.4.2 高温发汗自润滑复合材料的自润滑机理
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 主要研究成果
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励
• 参考文献
• 致谢