宽温域陶瓷基自润滑复合材料的制备及机理研究

There is an ongoing need for developing high temperature self-lubricating materials to meet the severe conditions of mechanical systems in high-tech fields, such as aviation, aerospace and nuclear power, which require increasingly high working temperatures and long life. Objective of this proposal is to design and fabricate ceramic matrix self-lubricating materials with excellent tribological properties and favorable engineering application over a wide temperature range from room temperature to 1000 ℃. In more detail, we will systematically study (1) effects of intermetallic compound toughening SiC matrix and synergistic action of solid lubrications on mechanical and tribological properties in the composites; (2) effects of processing conditions on microstructures and mechanical and tribological properties of the composites and optimization of the processing parameters; (3) composition and microstructure design principles and processing control methods of high-temperature self-lubricating composites over a wide temperature range; (4) the analysis of frictional phenomena and surface effects in the composites; (5) high-temperature lubrication mechanisms of the materials. This proposal provides an inspiring clue for the design of high temperature self-lubricating material and the establishment of high temperature tribological theory, and the fabricated composites show an application potential in the field of high technology.

现代工业的发展，特别是航空、航天以及核能等高技术领域的激烈竞争，使得材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问题日益受到重视，迫切要求发展相适应的宽温域自润滑复合材料。本项目将选用碳化硅基陶瓷材料作为高温基体相，采用粉末冶金方法，通过复合固体润滑方式、金属间化合物复合增韧、复配固体润滑剂，制备具有工程应用价值的、从室温到1000℃范围具有稳定可靠的自润滑耐磨性能的宽温域自润滑复合材料。研究组成和结构对复合材料在不同温度条件下的摩擦学性能和物理力学性能的影响，探讨分析宽温域摩擦现象和表面效应，阐明其润滑机理和磨损机制；通过组分和制备工艺调控材料的组成和微细结构以及利用多种摩擦现象间的耦合叠加，实现摩擦学性能和物理力学性能的优化和统一，最终揭示材料结构、性能与机理三者之间的内在关系。本项目的成功实施将为润滑材料在高温苛刻条件下的应用提供技术支持，为提升润滑材料设计、制备水平提供理论依据。

高温固体润滑材料和技术是解决在高温苛刻工况条件下摩擦和磨损问题的唯一途径。本项目以设计和制备高性能宽温域陶瓷基自润滑复合材料为目标，主要开展了宽温域碳化硅基自润滑复合材料、宽温域氧化锆基自润滑复合材料和MAX相陶瓷高温摩擦学行为的研究，系统研究了基体相、润滑相和辅助相的相容性，研究了系统条件下宽温域陶瓷基自润滑复合材料的摩擦学行为规律，揭示了宽温域润滑机理，阐明了磨损失效机制，提出了宽温域陶瓷基自润滑复合材料的组分结构设计准则和可控制备技术方法。取得的具体研究结果如下：（1）高温润滑相氟化钙和辅助相难熔金属钼对碳化硅陶瓷具有良好的摩擦学相容性；（2）低温润滑相二硫化钼和高温润滑相氟化钙的协同润滑作用显著改善了碳化硅陶瓷的宽温域润滑性能；（3）直接添加润滑相以及通过摩擦化学反应原位生成高温润滑相的复合固体润滑方式明显提升了碳化硅陶瓷的自润滑性能；（4）摩擦配副研究表明氧化铝与碳化硅基自润滑复合材料配副具有更好的宽温域摩擦学性能；（5）金属间化合物增韧的碳化硅基自润滑复合材料从室温到1000℃具有良好的自润滑耐磨损性能；（6）协同润滑作用、摩擦氧化反应、相变是影响宽温域氧化锆基自润滑复合材料的主要因素；（7）MAX相陶瓷的高温摩擦学行为受环境气氛和摩擦配副影响。本项目的研究结果解决了陶瓷材料的宽温域连续润滑与界面调控难题，突破了陶瓷材料的低摩擦高耐磨技术瓶颈，为高温摩擦学的建立奠定了理论基础，为高温润滑材料的应用提供了技术支撑。