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《中南大学》 2001年
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碳化硼陶瓷及其摩擦学研究

吴芳  
【摘要】: 碳化硼是一种有着许多优良性能的重要特种陶瓷,在许多领域得到了广泛的应用。碳化硼特种陶瓷的一个极其重要的应用是作为陀螺仪动压马达的轴承材料。在使用过程中发现碳化硼的摩擦、磨损性能是影响陀螺仪使用寿命和精度的关键。论文系统深入地研究了碳化硼的自摩擦、磨损特性,通过研究,基本掌握了碳化硼自摩擦副的摩擦学行为及其自润滑机理,提出了降低碳化硼自摩擦系数的有效途径。该研究有利于提高我国陀螺仪动压马达的启停寿命和精度,并将推动碳化硼材料在我国航天、航空、航海等惯性导航方面得到更广泛的应用。在研究过程中,首次将纳米摩擦学研究手段引入碳化硼陶瓷材料的摩擦学研究,建立了碳化硼陶瓷微观摩擦学研究的新方法,丰富了纳米摩擦学的研究体系。为进一步拓展作为减磨材料的碳化硼的应用领域,论文对碳化硼及碳化硼基陶瓷B_4C-SiC与金属对偶(45~#钢)以及B_4C-SiC陶瓷自摩擦副的摩擦、磨损性能进行了较深入的研究。 制备了性能符合GB5151-85-HTP-1要求、粒度<1μm的极细碳化硼粉,并用热压法制备了B_4C、B_4C-SiC材料。制得的纯碳化硼陶瓷其平均晶粒度<1 μm,相对密度99%以上,抗弯强度510-520 MPa,Knoop硬度29.5-30GPa,性能达到国际领先水平。 论文创造性地根据陀螺马达碳化硼轴承的工作条件设计并制作了一套摩擦磨损试验装置。该装置采用环-环式摩擦副,所要求的试样形状简单,尺寸适当,便于加工,且能在较宽范围内改变速度和载荷,摩擦系数的理论相对误差≤1.6%。 首次系统地研究了碳化硼自摩擦副的摩擦、磨损性能。考察了滑行距离、载荷、滑行速度等因素对碳化硼自摩擦副摩擦性能的影响,结果表明,摩擦系数随滑行距离增加逐渐降低至一稳定值,载荷和滑行速度的增加对降低摩擦系数有利。在研究中发现碳化硼自摩擦副在运转过程中可以山摩擦化学反应生成B_2O_3/H_3BO_3润滑膜,使摩擦系数降低,降低的幅度随摩擦条件而异。通过对碳化硼磨损性能的研究,提出了碳化硼自摩擦副的磨损形式。认为其磨损形式是化学磨损,并测得其磨损率为5.1×10~(-7)-8.3×10-7mm~3·(N·m)~(-1)。 首次提出用预氧化法降低碳化硼自摩擦系数的方法,研究了预氧化温度、时间等工艺条件对碳化硼自摩擦系数的影响,结果表明,预氧化温度不 能超过 1273 K;预氧化时间以 0.5J h为宜。经 1073 K预氧化处理 lh的碳 化硼自摩擦副,摩擦系数可从初始时的0.2心.3降低至0刀40刀5,其形成的润 滑膜稳定性良好。 考察了B。C-SIC自摩擦副以及B。C、B。C-SIC/45’钢摩擦副的摩擦磨损 性能。结果表明,在B4C七汇材料中,随着8 含量的增高,材料的自摩擦 系数增大,磨损率也有所升高。B。C、B。C七 八5’钢摩擦副的摩擦系数随着 滑行距离和滑行速度的增加而增大,B4C、B4C{ 的磨损率远小于45’钢 相对应的磨损率。用预氧化法使 B4C习 材料表面生成一层 BZO3用3BO3润 滑膜能降低B。C-SIC的摩擦系数。 首次将纳米摩擦学研究方法用于碳化硼材料的摩擦、磨损研究。用原子 力/摩擦力显微镜对碳化硼样品进行表面形貌的微观分析,发现所用碳化硼材 料材质均匀致密,磨样加工方法正确,制得的样品表面平整。在载荷为 l州七 PN下,研究了 Si3N4探针扫描碳化硼表面时摩擦力的分布,结果表明,摩擦 力的变化与扫描处的试样表面形貌有关,表面形貌变化斜率越大处,摩擦力 增加得越多。由于试样较平整,摩擦力的分布也是比较均匀的。碳化硼材料 的纳米摩擦系数远远小于宏观摩擦系数,且纳米摩擦系数随载荷的增加而显 著增加,随后用点接触显微镜在纳米尺度上研究了碳化硼材料的磨损特性。 研究结果表明,未经氧化的碳化硼试样,耐磨性能很好,而经过预氧化处理 的碳化硼试样,磨损深度远远大于未经氧化的试样。两者的磨损深度均随载 荷的增加而显著增加,而与扫描速度无明显关系。未经氧化的碳化硼试样的 磨损深度随磨损次数的增加线性增加,说明其在纵向上的结构是均匀的;经 氧化处理的碳化硼试样的磨损深度随磨损次数的增加呈现两段的线性关系, 可推断表层的 HaBOs膜厚度约为 120~140 urn。
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