硅酸盐粉体制备及其对TZ3Y20A-SrSO4复合材料摩擦学性能的影响

论文摘要

以ZrO2（3mol%Y2O3）-20wt%Al2O3（TZ3Y20A）作为基体、SrSO4作为润滑相制备的TZ3Y20A-SrSO4复合材料在广域温度下具有优异的摩擦学性能,在先进发动机系统的高温滑动部件上受到了广泛的重视和研究,但其存在难烧结的缺点。针对这一问题,本文采用高温固相法、溶胶-凝胶法制备了不同硅酸盐粉体,将其添加到复合材料中,采用热压烧结法制备出TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基复合材料,在不影响其摩擦学性能的前提下改善复合材料的烧结性能。采用XRD、SEM和DSC-TG分析了不同硅酸盐粉体的形貌、结构和生长机制,采用高温摩擦磨损试验机测试了添加不同硅酸盐的TZ3Y20A-SrSO4复合材料的摩擦磨损性能。采用高温固相法以SrCO3和SiO2为原料在1400℃下分别合成了Sr2SiO4、SrSiO3和SrSiO3-SiO2共晶粉体。采用化学沉淀法以SrCl2、Na2SiO3为原料,在乙醇-水体系中合成SrSiO3粉体,最佳工艺参数为:Sr2+浓度为1.0mol/L, SiO32-浓度为1.0 mol/L,乙醇加入量为反应溶液总体积的30%。采用溶胶-凝胶法以无水乙醇为溶剂,HNO3为催化剂,TEOS、Sr（NO3）2、H2O为反应物,合成Sr2SiO4和SrSiO3-SiO2共晶粉体,最佳的工艺参数为:H2O:TEOS:EtOH（摩尔比）=24:1:5,pH值为34。采用水热法在120℃保温4h、12h和24h制备出纤维状Sr2SiO4水化产物。由于Sr2+离子的不规则配位特性,使得Sr2SiO4单斜相的活性增大。添加硅酸盐有效地促进了TZ3Y20A-SrSO4复合材料的烧结。添加10%SrSiO3的复合材料具有最高的密度（4.09 g/cm3）和维氏硬度（HV 412）。硅酸盐添加剂的种类对复合材料的物相组成影响不大。从室温至600℃宽温域摩擦磨损试验后发现,添加10wt.%SrSiO3的TZ3Y20A-SrSO4复合材料的摩擦系数为0.210.33;添加10wt.% Sr2SiO4的TZ3Y20A-SrSO4复合材料的摩擦系数为0.150.47;而添加10wt.% （SrSiO3-SiO2）共晶粉体的TZ3Y20A-SrSO4复合材料的摩擦系数为0.180.34。TZ3Y20A-SrSO4复合材料的磨损速率在10-510-6mm3/N·m数量级。摩擦系数和磨损速率随温度变化的趋势一致。TZ3Y20A-SrSO4复合材料的磨损表面形成了明显的固体润滑转移膜,有效地降低了摩擦系数和磨损速率。TZ3Y20A-SrSO4复合材料磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景
• 1.2 高温固体润滑剂研究现状
• 1.2.1 金属和氧化物
• 1.2.2 氟化物
• 1.2.3 复杂硫族化合物
• 1.2.4 无机含氧酸盐
• 1.3 高温自润滑材料
• 1.3.1 金属基自润滑复合材料
• 1.3.2 聚合物基自润滑复合材料
• 1.3.3 陶瓷基自润滑复合材料
• 1.4 硅酸盐粉体的合成工艺
• 1.4.1 高温固相法
• 1.4.2 溶胶－凝胶法
• 1.4.3 化学沉淀法
• 1.4.4 水热法
• 1.5 本论文的研究目的、意义及主要内容
• 1.5.1 研究目的和意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 实验所用原料及分析
• 2.1.1 实验所用原料
• 2.1.2 原料的物理性能分析
• 2.2 硅酸盐粉体的制备工艺
• 2.2.1 高温固相法制备硅酸盐粉体
• 2.2.2 化学方法制备硅酸盐粉体
• 2.2.3 硅酸锶的水化反应
• 4复合材料的制备工艺'>2.3 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的制备工艺
• 2.3.1 复合材料的成分设计
• 2.3.2 复合材料的制备工艺
• 2.4 硅酸盐粉体分析测试方法
• 2.4.1 热物理性能分析
• 2.4.2 物相分析
• 2.4.3 形貌分析
• 4 复合材料分析测试方法'>2.5 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料分析测试方法
• 2.5.1 密度
• 2.5.2 硬度
• 2.5.3 物相分析
• 2.5.4 组织形貌分析
• 4 复合材料的摩擦学性能分析测试方法'>2.6 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的摩擦学性能分析测试方法
• 2.6.1 高温摩擦磨损试验
• 2.6.2 磨损速率
• 2.6.3 磨损表面形貌分析
• 第3章 硅酸盐粉体的制备与表征
• 3.1 高温固相法制备硅酸盐粉体的表征
• 2和SrCO₃ 复合粉体的热物性分析'>3.1.1 SiO₂和SrCO₃复合粉体的热物性分析
• 3.1.2 高温固相法制备硅酸盐粉体的相结构
• 3.1.3 高温固相法制备硅酸盐粉体的形貌
• 3.2 化学方法制备硅酸盐粉体的表征
• 3.2.1 溶胶－凝胶法工艺探索
• 3.2.2 干凝胶的热物性分析
• 3.2.3 硅酸盐粉体的物相分析
• 3.2.4 硅酸锶盐粉体的形貌
• 3.3 硅酸锶水化产物的表征及分析
• 3.3.1 水化硅酸锶的物相分析
• 3.3.2 水化硅酸锶的热物性分析
• 3.3.3 水化硅酸锶的形貌
• 3.3.4 硅酸锶水化机理
• 3.4 本章小结
• 4复合材料的烧结、组织结构及摩擦磨损性能'>第4章 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的烧结、组织结构及摩擦磨损性能
• 4 复合粉体的热分析及物相分析'>4.1 TZ3Y20A-SrSO₄复合粉体的热分析及物相分析
• 4 复合粉体的热物性分析'>4.1.1 TZ3Y20A-SrSO₄复合粉体的热物性分析
• 4 复合粉体的物相分析'>4.1.2 TZ3Y20A-SrSO₄复合粉体的物相分析
• 4 复合材料的组织结构'>4.2 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的组织结构
• 4 复合材料的密度与硬度'>4.2.1 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的密度与硬度
• 4 复合材料的物相分析'>4.2.2 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的物相分析
• 4 复合材料的组织结构'>4.2.3 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的组织结构
• 4 复合材料的高温摩擦磨损性能'>4.3 添加不同硅酸盐的TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的高温摩擦磨损性能
• 4 复合材料的摩擦学行为'>4.3.1 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的摩擦学行为
• 4 复合材料的摩擦系数'>4.3.2 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的摩擦系数
• 4 复合材料的磨损速率'>4.3.3 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的磨损速率
• 4 复合材料的磨损表面形貌'>4.3.4 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的磨损表面形貌
• 4 复合材料的自润滑机理'>4.3.5 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的自润滑机理
• 4 复合材料的磨损机制'>4.3.6 TZ3Y20A-SrSO₄复合材料的磨损机制
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢