纳米陶瓷表面三维复合润滑结构的设计、制备与摩擦学研究

本项目以具有优异的强度、韧性、耐蚀性和超塑性及在航空、航天、核能等高技术领域有巨大应用前景的纳米陶瓷为研究对象，采用激光微加工技术在其表面形成图案化结构，应用表面沉积方法将固体润滑剂复合在图案化纳米陶瓷表面，利用规则图案本身和固体润滑剂的协同润滑作用，在陶瓷材料表面形成三维复合润滑结构，实现纳米陶瓷材料的结构/润滑功能一体化设计。研究具有表面三维复合润滑结构的纳米陶瓷材料在不同环境和条件下的摩擦学性能，揭示表面织构的图案和尺寸、固体润滑剂的沉积方法和工艺、化学组成及其分布状态对材料摩擦系数和磨损寿命的影响规律及作用机理，进而优化设计材料的成份与结构，实现其可设计性。在此基础上，发展一种具有低摩擦、高可靠、长寿命的纳米陶瓷复合润滑材料，为新型陶瓷材料在我国航空、航天等国防高科技领域的应用提供理论指导和技术支持。

在陶瓷材料表面形成三维复合润滑结构，实现陶瓷材料的结构/润滑功能一体化设计，既能充分发挥结构陶瓷本身的优异力学性能，又能实现材料表面的润滑，可有效解决高温、腐蚀等苛刻环境下机械系统的特殊润滑和磨损失效问题。基于试验研究和理论模拟，本项目成功制备出两种分别能够在水环境和高温工况下实现稳定有效润滑的高可靠陶瓷复合材料：①水环境用氧化铝/镍层状复合陶瓷，②高温环境用氧化铝/钼层状复合陶瓷；研究了所制备材料与复合润滑结构的性能与其微观表/界面结构之间的关系规律，发现通过材料的表/界面和仿生设计，可实现陶瓷复合材料的结构/润滑功能一体化，使其具备更好的润滑性能和实用性能；系统考察了材料在不同环境和试验条件下的摩擦学行为以及复合润滑的微观结构、化学组成和性能内在联系的规律性，提出了影响上述材料和复合润滑结构摩擦学行为和磨损失效的影响因素，建立了材料结构参数与性能之间的理论模型，为高温、腐蚀环境用润滑材料的制备与应用提供了理论基础和技术支撑。