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《湖南大学》 2006年
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碳化硅及其复相陶瓷高温摩擦学特性的研究

周松青  
【摘要】: SiC陶瓷作为摩擦学构件已获得广泛应用,关于SiC的摩擦学研究已成为当前陶瓷摩擦学研究的热点之一。与金属材料相比,人们对陶瓷材料摩擦学特性的认识还很不充分,有关SiC陶瓷的高温摩擦学性能和磨损机理的研究报道则更少。本文对SiC及其复相陶瓷的高温摩擦学性能、高温磨损机理进行了较系统的研究。系统地研究了SiC陶瓷从室温~1000℃的摩擦学特性,探讨了摩擦环境参数(环境温度、外加载荷、摩擦速度、摩擦里程和介质)对SiC陶瓷高温摩擦系数、比磨损率(WS)的影响。当温度为600℃~1000℃、载荷为0.2MPa、摩擦速度在0.2~0.3m/s时,SiC/SiC的高温摩擦磨损性能较好,自对偶的高温磨损在空气中比在真空中大。 通过系统地研究载荷和温度对比磨损率的影响,首次得出SiC / SiC的高温磨损图。该图分为四个区:(Ⅰ+Ⅱ)区为严重磨损区,Ws15×10~(-8)mm~3.(N.mm)~(-1);Ⅲ区为中等磨损区,5×10~(-8)mm~3. (N.mm)~(-1)Ws15×10-8 mm3.(N.mm)~(-1);Ⅳ区为轻微磨损区,Ws5×10~(-8)mm~3.(N.mm)~(-1);不同的磨损区具有不同的磨损形式和机理,它们在一定的条件下可以相互转化。 在空气中,当载荷小于0.4MPa和温度低于400℃时,SiC/SiC的磨损为轻微磨损,磨损机理由犁削磨损和磨粒磨损控制;随着温度的升高,磨损由轻微磨损过渡到中等磨损,磨损机理由粘着磨损控制。当载荷大于0.4MPa时,随着温度的升高,磨损由中等磨损过渡到严重磨损;磨损形式由粘着磨损或磨粒磨损向剥离磨损转化,磨损机理由粘着磨损、磨粒磨损和剥离磨损构成复合磨损控制。 研究了SiC及其复相陶瓷的物相组成和显微结构对SiC陶瓷高温摩擦学性能的影响。结果表明:(1)由于β-SiC试样的晶粒尺寸比α-SiC试样的小,显微结构也更均匀致密,β-SiC及其复相陶瓷的高温摩擦学性能优于α-SiC及其复相陶瓷; (2)SiC复相陶瓷中的第二相颗粒(如TiB2)因其“钉扎效应”改善了材料内部的应力分布,并形成弹性桥联和摩擦桥联,使裂纹扩展途径偏转,提高了材料的高温摩擦学性能。 设计并制备了SiC-Cf、SiC-WC、SiC-TiC和SiC-TiB_2四种具有良好高温摩擦学性能的复相陶瓷。高温摩擦磨损试验结果表明其高温摩擦系数和比磨损率比纯SiC陶瓷的低,其原因与复相陶瓷的第二相增强增韧和促进摩擦氧化有关。设计组成和结构合理的SiC复相陶瓷是降低SiC陶瓷摩擦磨损的有效办法。 采用SEM、TEM、XRD和XPS等现代测试分析技术,研究了SiC及其复相陶瓷磨损表面的形貌和物质成分的变化;在600℃以上,摩擦表面出现由亚微米级颗粒组成的平滑薄膜层,氧化物的主要成分为无定形SiO_2。 SiC复相陶瓷的高温摩擦化学反应主要是SiC、TiC、WC和TiB_2等的摩擦氧化。由于氧化物薄膜层的硬度较SiC陶瓷低,易于产生晶格畸变,摩擦表面具有一定的塑性变形能力,提高了裂纹失稳扩展的门槛值,在高温磨损中起到了很重要的减磨和润滑作用,使SiC及其复相陶瓷出现高温自润滑现象。门槛值与摩擦环境参数和摩擦表面性状密切有关,存在一个上限值和下限值,在上、下限值之间,裂纹处于亚稳扩展状态,延迟了断裂的产生。 氧化物薄膜层的存在和破坏是一个动态平衡的动力学过程,与薄膜层生成速度(VF)、破坏速度(VD)和磨屑的移走速度(VM)密切相关。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TB302.3

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