本發(fā)明涉及一種多層結(jié)構(gòu)氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷及其制備方法，屬于極端環(huán)境下服役自潤滑復(fù)合材料的設(shè)計與制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

潤滑材料的可靠性和穩(wěn)定性已成為確保航空、航天、核能、軌道交通等高端裝備機(jī)械系統(tǒng)安全、高效、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。近年來，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械部件的運行工況越來越苛刻、條件越來越復(fù)雜，潤滑材料的服役條件涉及高溫、強(qiáng)腐蝕、震動、特殊介質(zhì)和氣氛等多因素耦合環(huán)境，這對潤滑材料服役的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。目前，能夠在高溫（800 ℃以上）、震動及特殊介質(zhì)和氣氛等耦合環(huán)境下長期穩(wěn)定服役的潤滑材料已成為制約各類高端裝備發(fā)展的瓶頸。

陶瓷潤滑復(fù)合材料除具有一般固體潤滑材料的優(yōu)點，如使用溫度范圍寬、低摩擦、抗污染、高承載外，還具有密度低、結(jié)構(gòu)理想、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)異以及使用壽命長等特點，可以在高溫（>800 ℃）、強(qiáng)腐蝕等特殊工況下實現(xiàn)有效潤滑，在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于陶瓷材料的本征脆性以及由摩擦學(xué)設(shè)計所帶來的材料力學(xué)性能的下降，導(dǎo)致其使用的可靠性和抗破壞性較差，從而制約了陶瓷潤滑復(fù)合材料在機(jī)械領(lǐng)域更為廣泛的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此, 設(shè)計制備兼具優(yōu)異力學(xué)性能（高韌性）、熱穩(wěn)定性（高抗熱震穩(wěn)定性）和摩擦學(xué)性能（低摩擦磨損）的陶瓷潤滑復(fù)合材料，對推動其在我國航空、航天核能、軌道交通等等領(lǐng)域的應(yīng)用和加快國產(chǎn)高性能高端裝備的研制具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種兼具高韌性、高抗熱震穩(wěn)定性和低摩擦磨損的多層結(jié)構(gòu)氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷及其制備方法。

一種多層結(jié)構(gòu)氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷，其特征在于該自潤滑復(fù)合陶瓷由氧化鋁-金屬鉬層和氧化鋁層交替疊加構(gòu)成，其中氧化鋁-金屬鉬層為表層，氧化鋁層為間隔層，層厚比為1:1，層厚為150 μm ~1000 μm；所述氧化鋁-金屬鉬層含氧化鋁73wt%~ 76 wt%、金屬鉬24 wt% ~ 27 wt%。

所述氧化鋁的顆粒尺寸為50 nm~200 nm，金屬鉬的顆粒尺寸為0.5 μm~5 μm。

為了使本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷能夠?qū)崿F(xiàn)從室溫到高溫過程的連續(xù)潤滑性能，作為改進(jìn)的方案，在上述自潤滑復(fù)合陶瓷表面覆蓋由微圖案和潤滑劑組成的三維復(fù)合潤滑層，其中，微圖案由微坑織構(gòu)組成，微坑的直徑為50 μm~150 μm、密度20 %~40 %、深度50 μm~100 μm，并在微圖案中填充0.5 μm~15 μm潤滑劑硫酸鋇。在該三維復(fù)合潤滑層中微坑織構(gòu)作為潤滑劑硫酸鋇的存儲器，并在相對滑動時源源不斷地向摩擦表面提供潤滑劑硫酸鋇，以實現(xiàn)從室溫到高溫過程的連續(xù)潤滑。該三維復(fù)合潤滑層與表層和間隔層平行或垂直。

如上所述多層結(jié)構(gòu)氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

1）以商品化氧化鋁和金屬鉬為原料，經(jīng)氣流粉碎、物理球磨、篩分和振動混合得到氧化鋁和混合氧化鋁-鉬粉體；

2）在鋼模具中，將混合好的氧化鋁-鉬和氧化鋁粉體交替鋪層，隨后進(jìn)行冷壓成型，成型壓力為100 MPa~200 MPa；

3）將冷壓成型的層狀坯體放入通有保護(hù)氣氛（高純氮氣、氬氣或氦氣）的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，其中升溫速率為5 ℃~15 ℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1350 ℃~1450 ℃，燒結(jié)壓力為10 MPa~30 MPa，燒結(jié)時間為60~120分鐘；

若自潤滑復(fù)合陶瓷表面覆蓋三維復(fù)合潤滑層，則還包括以下步驟：

4）采用Nd:YAG激光器在多層結(jié)構(gòu)復(fù)合陶瓷的滑動表面進(jìn)行激光微加工，制備出規(guī)則織構(gòu)圖案，激光器所選用的參數(shù)為：激光器功率為7.66 W，掃描速度為400 mm/s，掃描次數(shù)為5~8次；

5）將BaSO₄粉體用無塵軟布反復(fù)擦涂于織構(gòu)化表面，使得粉體充分填充于微坑內(nèi)以得到三維復(fù)合潤滑層。

以上述方法制備的氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)致密，具有多層和微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并具有優(yōu)異的可加工性能，兼具優(yōu)異的力學(xué)性能（高韌性）、熱穩(wěn)定性（高抗熱震穩(wěn)定性）和摩擦學(xué)性能（低摩擦磨損）。

本發(fā)明所述多層結(jié)構(gòu)氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷由于其層狀結(jié)構(gòu)特點，斷裂時誘導(dǎo)裂紋的偏轉(zhuǎn)、增殖，呈現(xiàn)出一定的塑性斷裂特征，有效克服了陶瓷材料的本征脆性以及由摩擦學(xué)設(shè)計所帶來的材料力學(xué)性能的下降，實現(xiàn)了高韌性和高抗熱震穩(wěn)定性。同時氧化鋁-金屬鉬層中的鉬相保證了材料800 ℃及以上的高溫自潤滑性能。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、本發(fā)明所述自潤滑復(fù)合陶瓷由異質(zhì)的硬質(zhì)層氧化鋁和氧化鋁-金屬鉬相間排列而成，形成強(qiáng)界面結(jié)合的仿生層狀結(jié)構(gòu)。這種材料基于多層和微-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，且延性相在其三維空間具有均勻分布特征；利用層狀結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力與金屬鉬的延性增韌協(xié)同作用，使其具有高韌性、高可靠性和優(yōu)異的抗熱震穩(wěn)定性。材料的彎曲強(qiáng)度和單層氧化鋁陶瓷相當(dāng)或更高，斷裂韌性遠(yuǎn)大于單層氧化鋁陶瓷；經(jīng)室溫和1000 ℃多次高低溫循環(huán)試驗后，材料的強(qiáng)度和韌性保持率遠(yuǎn)大于弱界面結(jié)合氧化鋁/鉬多層復(fù)合陶瓷。

2、本發(fā)明利用均勻分布在表面微坑中的固體潤滑組元和金屬鉬高溫氧化反應(yīng)產(chǎn)物的協(xié)同潤滑作用，可以在摩擦表面形成潤滑膜而改善摩擦界面的接觸狀態(tài)，滿足在一定溫度范圍內(nèi)連續(xù)潤滑，使材料在室溫~1000 ℃的溫度范圍內(nèi)具有連續(xù)持久的自潤滑性能，實現(xiàn)陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)/潤滑功能一體化設(shè)計。

3、本發(fā)明的氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷具有良好的抗高溫氧化性能和抗腐蝕性能，可以分別與碳纖維增強(qiáng)碳-碳化硅復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料、氮化硅陶瓷復(fù)合材料和氧化鋁陶瓷配副，應(yīng)用范圍較廣。

附圖說明

圖1 本發(fā)明所述自潤滑復(fù)合陶瓷的顯微照片。

圖2 本發(fā)明所述自潤滑復(fù)合陶瓷盤與氧化鋁陶瓷栓配副在800 ℃下的摩擦系數(shù)曲線。

圖3 本發(fā)明所述自潤滑復(fù)合陶瓷表面微坑織構(gòu)的顯微照片。

圖4本發(fā)明所述自潤滑復(fù)合陶瓷表面三維復(fù)合潤滑層的顯微照片。

圖5 本發(fā)明所述自潤滑復(fù)合陶瓷表面三維復(fù)合潤滑層在連續(xù)升溫過程中的摩擦系數(shù)曲線。

具體實施方式

下面將本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅為本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實施例1

將粒徑范圍為100-200目的300 g氧化鋁在酒精介質(zhì)中球磨24小時可得到氧化鋁顆粒粒徑為50 nm~200 nm的超細(xì)粉體；將上述0.69 g氧化鋁超細(xì)粉體和0.23 g金屬鉬粉在振動混合儀中混合2小時得到氧化鋁-鉬混合粉體；在鋼模具中將制備好的氧化鋁和氧化鋁-鉬粉體交替鋪層，層厚均為1.50 mm，鋪層完畢在150 MPa壓力下冷壓預(yù)成型。最后，放入熱壓爐中燒結(jié)，升溫速率為10 ℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400 ℃，燒結(jié)壓力為10 MPa, 燒結(jié)時間為120分鐘，整個燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。最終獲得的燒結(jié)樣品經(jīng)分析可知，層狀結(jié)構(gòu)明顯，每層的平均厚度為277 μm，氧化鋁和金屬鉬的晶粒尺寸分別為0.15~10 μm 和0.5~6 μm。

實施例2

將粒徑范圍為100-200目的300 g氧化鋁在酒精介質(zhì)中球磨24小時可得到氧化鋁顆粒粒徑為50 nm~200 nm的超細(xì)粉體；將上述0.43 g氧化鋁超細(xì)粉體和0.14 g金屬鉬粉在振動混合儀中混合2小時得到氧化鋁-鉬混合粉體；在鋼模具中將制備好的氧化鋁和氧化鋁-鉬粉體交替鋪層，層厚均為0.95 mm，鋪層完畢在150 MPa壓力下冷壓預(yù)成型。最后，放入熱壓爐中燒結(jié)，升溫速率為5 ℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1450 ℃，燒結(jié)壓力為25 MPa, 燒結(jié)時間為100分鐘，整個燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。最終獲得的燒結(jié)樣品經(jīng)分析可知，層狀結(jié)構(gòu)明顯，每層的平均厚度為172 μm，氧化鋁和金屬鉬的晶粒尺寸分別為0.15 μm~10 μm 和0.5 μm~6 μm，氧化鋁-鉬層和氧化鋁層均具有致密的結(jié)構(gòu)，圖1為氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷的顯微照片。

實施例3

將粒徑范圍為100-200目的300 g氧化鋁在酒精介質(zhì)中球磨24小時可得到顆粒粒徑為50 nm~200 nm的氧化鋁超細(xì)粉體；將上述1.81 g氧化鋁超細(xì)粉體和0.60 g金屬鉬粉在振動混合儀中混合2小時得到氧化鋁-鉬混合粉體；在鋼模具中將制備好的氧化鋁和氧化鋁-鉬粉體交替鋪層，層厚均為4.00 mm，鋪層完畢在150 MPa壓力下冷壓預(yù)成型。最后，放入熱壓爐中燒結(jié)，升溫速率為10 ℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1350 ℃，燒結(jié)壓力為20 MPa, 燒結(jié)時間為80分鐘，整個燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。最終獲得的燒結(jié)樣品經(jīng)分析可知，層狀結(jié)構(gòu)明顯，每層的平均厚度為721 μm，氧化鋁和金屬鉬的晶粒尺寸分別為0.15 μm~10 μm 和0.5 μm~6 μm。

將按上述工藝制備的氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷用金剛石線切割機(jī)切割成所需尺寸的試樣條后在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能的測試。彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性測試樣品的尺寸分別為25 mm×4 mm×3.5 mm和25 mm×1.8 mm×3.5 mm。其中，彎曲強(qiáng)度采用三點彎曲法測試，試驗跨距為20 mm，加載速度為0.5 mm/min；斷裂韌性采用單邊切口梁（SENB）法進(jìn)行測試，樣品的切口深度為1.75 mm，試驗跨距為14 mm，加載速率為0.05 mm/min。試驗測得的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性可達(dá) 634 MPa和8.1 MPa m^1/2，分別為單層氧化鋁陶瓷的1.23倍和2倍。

采用快速淬火的方法測試氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷的抗熱震穩(wěn)定性。具體測試步驟如下：將樣品在馬弗爐中于1000 ℃保溫5 min，然后迅速取出并置于20 ℃水中的鐵塊上急冷5 min。如此反復(fù)循環(huán)50次后，測試室溫下材料的剩余強(qiáng)度和韌性。結(jié)果表明：經(jīng)室溫和1000 ℃溫度下50次熱震循環(huán)后，材料的強(qiáng)度和斷裂韌性保持率為99 %和85 %，分別較弱界面結(jié)合氧化鋁/鉬多層復(fù)合陶瓷提高了17 % 和27 %。

實施例4

將粒徑范圍為100-200目的300 g氧化鋁在酒精介質(zhì)中球磨24小時可得到顆粒粒徑為50 nm~200 nm的氧化鋁超細(xì)粉體；將上述1.81 g氧化鋁超細(xì)粉體和0.60 g金屬鉬粉在振動混合儀中混合2小時得到氧化鋁-鉬混合粉體；在鋼模具中將制備好的氧化鋁和氧化鋁-鉬粉體交替鋪層，層厚均為4.00 mm，鋪層完畢在150 MPa壓力下冷壓預(yù)成型。最后，放入熱壓爐中燒結(jié)，升溫速率為10 ℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400 ℃，燒結(jié)壓力為30 MPa, 燒結(jié)時間為60分鐘，整個燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。

將上述工藝制備的氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷加工成直徑為25 mm、高8 mm的圓盤，固定在下試樣夾具上進(jìn)行摩擦試驗。上試樣選用直徑為9.3 mm、高10 mm的氧化鋁陶瓷栓。采用往復(fù)運動的摩擦方式，試驗壓力為1.0 MPa，滑動速度為15 mm/s，溫度為800 ℃，實驗時間為3600 s。測試結(jié)果表明：采用該工藝制備的氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷每個面均具有優(yōu)異的自潤滑性能，材料的摩擦系數(shù)可低至0.45左右，比純的塊體氧化鋁陶瓷降低了近55 %。圖2為氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷盤與氧化鋁陶瓷栓配副在800 ℃下的摩擦系數(shù)曲線。

實施例5

將粒徑范圍為100-200目的300 g氧化鋁在酒精介質(zhì)中球磨24小時可得到顆粒粒徑為50 nm~200 nm的氧化鋁超細(xì)粉體；將上述1.81 g氧化鋁超細(xì)粉體和0.60 g金屬鉬粉在振動混合儀中混合2小時得到氧化鋁-鉬混合粉體；在鋼模具中將制備好的氧化鋁和氧化鋁-鉬粉體交替鋪層，層厚均為4.00 mm，鋪層完畢在150 MPa壓力下冷壓預(yù)成型。最后，放入熱壓爐中燒結(jié)，升溫速率為10 ℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400 ℃，燒結(jié)壓力為25 MPa, 燒結(jié)時間為100分鐘，整個燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。采用Nd:YAG激光器在上述制備的復(fù)合陶瓷的表面（材料表面用金相砂紙逐級打磨至表面粗糙度Ra為0.1 μm ~0.3 μm）進(jìn)行激光微加工，激光器功率為7.66 W，掃描速度選擇為400 mm/s，掃描次數(shù)為6次；將粒徑范圍為1 μm~5 μm的BaSO₄粉體用無塵軟布反復(fù)擦涂于織構(gòu)化表面，使得粉體充分填充于微坑內(nèi)以得到三維復(fù)合潤滑層，制備的氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷表面微坑織構(gòu)及三維復(fù)合潤滑層的顯微照片如圖3和圖4所示。

將上述工藝制備的氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷加工成直徑為25 mm、高8 mm的圓盤，固定在下試樣夾具上進(jìn)行摩擦試驗。上試樣選用直徑為9.3 mm、高10 mm的氧化鋁陶瓷栓。采用往復(fù)運動的摩擦方式，試驗壓力為1.0 MPa，滑動速度為15 mm/s，溫度為25 ℃~800 ℃。其中，在25 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃及800 ℃下分別保溫約26~30 min，升溫過程摩擦試驗繼續(xù)進(jìn)行，摩擦實驗時間共計150 min。結(jié)果表明：在連續(xù)升溫過程中，該陶瓷復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的自潤滑性能，摩擦系數(shù)均低于0.55。在室溫至200 ℃下摩擦系數(shù)均在0.40~0.55之間；400 ℃時摩擦系數(shù)可低至0.45；高于600 ℃時摩擦系數(shù)迅速降低至0.30~0.35，且相對平穩(wěn)。圖5為氧化鋁自潤滑復(fù)合陶瓷表面三維復(fù)合潤滑層在連續(xù)升溫過程中的摩擦系數(shù)曲線。