新型碱土金属硫酸盐固体润滑剂的形貌控制制备及其高温摩擦学性能研究

In recent years, applications involving aerospace field, petrochemical industry, metallurgical industry and electric power industry, has been a great need for the materials with excellent tribological properties over a temperature range of room temperature to 800oC. In this work, the novel alkali-earth metallic sulfates (SrSO4) solid lubricants with different crystallographic morphologies and sizes are prepared through chemical precipitation method, and are added into partially stabilized ZrO2 (3 mol.% Y2O3) powders incorporated with 20 wt.% Al2O3 (denoted by TZ3Y20A) to improve their tribological properties over a wide temperature range. By comparative studying the properties of TZ3Y20A ceramic and TZ3Y20A-SrSO4 composites, the influence of crystallographic morphology and size of SrSO4 solid lubricants on the sintering behavior, microstructure, mechanical properties and tribological properties over a wide temperature range of the composites is clarified. The formation mechanisms of lubricating films and self-lubricating mechanisms of composites are studied. The relationship between the crystallographic morphology and size of SrSO4 solid lubricants and the properties of self-lubricating film after the sliding at different temperature is also demonstrated. This research exhibits important scientific significance and engineering values in enriching the solid lubricant materials system, exploiting environment friendly self-lubricating materials and obtaining sliding or sealing component of the ceramic matrix composites with excellent tribological properties under extreme temperature.

为满足航空航天、石油化工、冶金及电力等领域中对在广域温度范围内（室温至800oC）具有良好摩擦学性能材料日益增长的需求，本课题通过化学方法制备出具有不同晶体学形貌和颗粒尺度的新型碱土金属硫酸盐（SrSO4）固体润滑剂，并利用其来明显改善部分稳定化ZrO2(3mol%Y2O3)-20wt%Al2O3 (TZ3Y20A)陶瓷在广域温度范围内的摩擦学性能。通过对比研究TZ3Y20A陶瓷和不同组成的TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基复合材料，阐明SrSO4固体润滑剂晶体学形貌和颗粒尺度对复合材料烧结性能、微观结构、力学性能及在广域温度下摩擦学性能的影响规律和机理，探讨在广域温度下滑动时复合材料表面纳米自润滑膜的形成机制与复合材料自润滑机理，获得其与SrSO4固体润滑剂晶体学形貌、颗粒尺度之间的内在联系。本课题对丰富固体润滑材料的理论体系，开发环境友好型耐高温自润滑材料，具重要的科学意义和工程价值。

本项目用化学沉淀法制备了不同晶体学形貌和颗粒尺度的SrSO4固体润滑剂粉体。通过改变反应物溶液中[Sr2+]:[SO42-]的摩尔比可以控制SrSO4纳米粉体的最终结晶形貌。随着反应物溶液中[Sr2+]:[SO42-]摩尔比的增加，SrSO4粉体形貌由棒状转变为六方形薄片状。这是由于溶液中存在的过量Sr2+离子在SrSO4晶体(020)晶面和(210)晶面上的沉积速度要明显高于(002)晶面，使得不同晶面生长速度存在差异所造成的。.以Sr-EDTA配合物为反应物，采用化学沉淀法和酸沉积法分别制备出具有复杂晶体学形貌的SrSO4粉体。花生形SrSO4粉体是由许多椭球形的纳米颗粒团聚构成，且具有较大的比表面积和介孔结构，形成机理可以分为形核、生长和团聚三个过程。通过酸沉积法获得的哑铃形SrSO4粉体主要是通过针状纳米SrSO4晶体的定向附着而形成的。.选用具有耐磨损、抗氧化和良好高温力学性能的ZrO2（3mol.%Y2O3）-20wt.%Al2O3（TZ3Y20A）作为基体材料，将试验制备的棒状和片状SrSO4纳米粉体作为固体润滑剂添加到陶瓷基体中，利用放电等离子烧结法制备出TZ3Y20A-SrSO4陶瓷基自润滑复合材料。随着复合材料中SrSO4含量的不断增大，复合材料的致密度、硬度都不断增大。.TZ3Y20A陶瓷的摩擦系数和磨损率随测试温度的升高而增加。在600℃时，平均摩擦系数0.92，磨损率为1.1910-4 mm3/Nm。其高温磨损机制为脆性断裂和微切削。SrSO4润滑相的加入能够显著改善复合材料的高温摩擦学性能。当添加量为50 wt.%时，600℃下的平均摩擦系数为0.22，磨损率在10-6 mm3/Nm数量级。.棒状形貌的SrSO4与片状形貌的SrSO4相比，因其颗粒尺度较小，有利于烧结的致密化，所以添加棒状SrSO4粉体制备的复合材料有更高的致密度以及维氏硬度。在磨损过程中，也表现出更低的摩擦系数和磨损率。在高温时SrSO4固体润滑剂表现出良好的塑性变形能力，能够在摩擦表面形成一层致密并连续的自润滑膜，起到降低陶瓷基复合材料的高温摩擦系数和磨损率的作用，使得复合材料具有良好自润滑性能。.本项目对丰富固体润滑材料的理论体系，开发环境友好型耐高温自润滑材料，具有重要的科学意义和工程价值。