氧化物超导复合材料摩擦学性能及机理研究

论文摘要

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YBa2Cu3O7-δ（YBCO）,Bi2Sr2Can-1CunO2n+4n=2,3（BSCCO）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＜TC）,摩擦系数急剧下降,摩擦系数为0.20～0.25,最后稳定在0.20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BaPbO3,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8.96×10-5mm3·（N·m）-1。在100～500℃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平均为0.35,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0.11。Bi2223与不锈钢对摩,摩擦系数为0.30～0.50,平均为0.40。在液氮温度下Bi2223处在超导态,摩擦系数下降到0.17。在常温、正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9.5×10-5mm3·（N·m）-1。20%Ag/Bi2223摩擦系数为0.20～0.35,5%Ag/Bi2223的磨损率最低,为1.78×10-5mm3·（N·m）-1。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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 固体润滑
• 1.2 空间环境因素对固体润滑剂性能的要求
• 1.3 低温下超导体摩擦学特性研究背景
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 试验装置
• 1.4 高温超导体发展概况
• 1.4.1 高温超导体发展现状与分类
• 1.4.2 高温超导体基本结构特征
• 1.4.3 YBCO基本结构
• 1.4.4 BSCCO基本结构
• 1.4.5 高温超导体制备方法
• 1.5 高温超导体摩擦特性研究现状及应用前景
• 1.5.1 研究现状
• 1.5.2 应用前景
• 1.6 本论文的选题和主要研究内容
• 第二章 设备仪器
• 2.1 试验设备
• 2.2 样品测试表征设备
• 2.2.1 X射线粉末衍射仪
• 2.2.2 扫描电子显微镜
• 2.2.3 透射电子显微镜
• 2.2.4 热重-差示扫描量热仪
• 2.2.5 低温电阻R-T曲线测量仪
• 2.3 样品摩擦性能测试设备
• 2.3.1 SFT-4000高真空超低温摩擦磨损试验仪
• 2.3.2 UMT-2摩擦检测仪
• 第三章 YBCO和PbO/YBCO复合材料的制备、表征和摩擦学性能研究
• 3.1 YBCO和PbO/YBCO复合材料的制备和试验过程
• 3.1.1 材料制备
• 3.1.2 试验过程
• 3.2 YBCO和PbO/YBCO复合材料表征和摩擦学性能分析
• 3.2.1 差热分析
• 3.2.2 X射线衍射分析
• 3.2.3 超导转变温度与力学性能分析
• 3.2.4 YBCO和PbO/YBCO复合材料摩擦性能
• 3.2.5 摩擦表面及磨屑SEM像分析
• 3.2.6 YBCO和PbO/YBCO复合材料的摩擦机理分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 Ag/YBCO复合材料的制备、表征和摩擦学性能研究
• 4.1 Ag/YBCO复合材料的制备和试验过程
• 4.1.1 样品制备
• 4.1.2 试验过程
• 4.2 Ag/YBCO复合材料的表征和摩擦学性能分析
• 4.2.1 XRD物相分析
• 4.2.2 显微结构
• 4.2.3 低温下YBCO的摩擦特性
• 4.2.4 常温大气、真空下YBCO和Ag/YBCO复合材料的摩擦性能
• 4.2.5 摩擦表面SEM像及摩擦机理分析
• 2Cu₃O_7-δ超导体低温摩擦特性'>4.3 Dy替代Y的DyBa₂Cu₃O_7-δ超导体低温摩擦特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 BSCCO复合材料的制备、表征和摩擦学性能研究
• 5.1 Bi2212和Ag/Bi2212复合材料的制备和试验过程
• 5.1.1 材料制备
• 5.1.2 试验方法
• 5.2 Bi2212和Ag/Bi2212复合材料表征和摩擦学性能分析
• 5.2.1 X射线衍射分析
• 5.2.2 显微结构分析
• 5.2.3 超导转变温度、力学性能
• 5.2.4 Bi2212超导体低温摩擦特性
• 5.2.5 常温大气下Bi2212、Ag/Bi2212复合材料的摩擦性能
• 5.2.6 摩擦表面SEM像及摩擦机理分析
• 5.3 Bi2223和Ag/Bi2223复合材料的制备和试验过程
• 5.3.1 样品制备
• 5.3.2 试验过程
• 5.4 Bi2223和Ag/Bi2223复合材料表征和摩擦学性能分析
• 5.4.1 物相、显微结构分析
• 5.4.2 力学性能
• 5.4.3 低温下Bi2223超导体摩擦特性
• 5.4.4 常温大气、真空下Bi2223和Ag/Bi2223复合材料摩擦性能
• 5.4.5 摩擦表面SEM像及摩擦机理分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 超导体摩擦机理探讨
• 6.1 超导体的摩擦机理
• 6.1.1 微观结构及表层变化
• 6.1.2 电子摩擦
• 6.2 Ag对超导体摩擦性能的作用
• 6.2.1 Ag的摩擦学特性和润滑机理
• 6.2.2 Ag/YBCO和Ag/BSCCO复合材料摩擦磨损机理分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文