專利名稱：具有韌性的高溫自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高韌性的高溫自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
陶瓷基自潤滑復(fù)合材料被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿蛯嵱脙r值的陶瓷潤滑技術(shù)，在航 空航天和國防等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和價值。但目前研究中還存在幾個主要的 問題①在陶瓷基自潤滑復(fù)合材料中，為了改善材料的高溫摩擦學(xué)性能，通常會引入一定量 的固體潤滑組元，而這些柔性、層狀結(jié)構(gòu)、各向異性的固體潤滑組元的引入會產(chǎn)生大量的弱 界面層，從而引起材料機(jī)械性能的下降，特別是斷裂韌性和表面硬度。②陶瓷材料本身的可 靠性和穩(wěn)定性一直是限制其廣泛應(yīng)用的原因之一。針對上述陶瓷基自潤滑復(fù)合材料制備和性能控制方面所存在的問題，近年來發(fā)展 起來的陶瓷材料新型設(shè)計理念為解決這些問題提供了切實可行的途徑。首先，納米復(fù)相陶 瓷的出現(xiàn)，為陶瓷材料的發(fā)展帶來了新的希望。納米復(fù)相陶瓷材料是新發(fā)展起來的一種陶 瓷復(fù)合材料，是陶瓷材料新型設(shè)計理念和納米技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。這是一種通過有效的分 散、復(fù)合而使異質(zhì)相(第二相)納米粒子均勻彌散地保留在陶瓷基體中而得到復(fù)合材料。研 究表明，與傳統(tǒng)的微米陶瓷相比，納米復(fù)相陶瓷材料不僅室溫力學(xué)性能有較大提高，而且能 顯著改善高溫性能(如高溫硬度、強(qiáng)度、蠕變抗力和耐熱沖擊性能等)。納米復(fù)相陶瓷材料 由于優(yōu)異的力學(xué)性能，特別是高溫力學(xué)性能引起人們的廣泛關(guān)注。但對納米復(fù)相陶瓷摩擦 學(xué)特別是潤滑技術(shù)的研究相對較少。其次，添加金屬第二相有可能同時提高陶瓷材料的力 學(xué)和摩擦學(xué)性能。根據(jù)氧化物類固體潤滑劑的摩擦學(xué)性能，人們發(fā)現(xiàn)可用氧化膜進(jìn)行高溫 潤滑。金屬在空氣中摩擦?xí)r，能與大氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，形成具有自修復(fù)性的潤滑氧化膜， 從而起到自潤滑的作用。而且，金屬材料具有良好的延展性和可加工性，如果在陶瓷中引入 延性金屬第二相可大大提高燒結(jié)活性，不僅起到金屬增韌的效果，而且也可使陶瓷具有一 定的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，從而使其加工方便以及擴(kuò)大其在其它行業(yè)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高韌性的高溫自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料及其制 備方法。通過納米技術(shù)、金屬增韌以及原位生成等綜合技術(shù)來制備自潤滑納米復(fù)合陶瓷材 料，在保留陶瓷自身的耐高溫、耐磨性等優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，還能大幅度提高其綜合力學(xué)性 能，實現(xiàn)陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性和潤滑性的有機(jī)統(tǒng)一。一種具有韌性的高溫自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料，其特征是材料由基體相、增強(qiáng)相 和潤滑相組成，材料的結(jié)構(gòu)主要由晶界型、晶內(nèi)型和納米-納米型三種類型的混合型組成； 基體相為ZrO2-Y2O3，按質(zhì)量百分比占65 80%，其晶粒尺寸為50 IOOnm ；增強(qiáng)相為Al2O3， 按質(zhì)量百分比占5 10%，其晶粒尺寸為100 150nm ；潤滑相為金屬M(fèi)o，按質(zhì)量百分比占 10 30%，其晶粒尺寸為200 300nm。
—種具有韌性的高溫自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于包括如下 步驟A納米復(fù)合粉體的制備用沉淀法制備一種含有基體相、增強(qiáng)相和潤滑相的納米 復(fù)合陶瓷粉體，具體是選擇晶粒尺寸小于IOOnm的金屬鉬粉，將金屬鉬粉均勻分散到含有 鋯鹽、釔鹽和鋁鹽的水溶液中，利用沉淀反應(yīng)得到前軀體，煅燒得到納米復(fù)合粉體；B成型與燒結(jié)將納米復(fù)合粉體，用模壓成型，壓力為100 500MPa，成型后的坯體 放入熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)；其中燒結(jié)溫度為1300 1500°C，壓力為20 40MPa，保溫時間為 0. 5 濁，在氬氣、氮?dú)饣蛘婵斩?lt; 5X10_2!^下保溫保護(hù)。本發(fā)明的陶瓷材料，通過納米技術(shù)、金屬增韌及原位生成等綜合技術(shù)的有效結(jié)合， 使陶瓷材料在保留自身的耐高溫、耐磨性等優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，大幅度提高其綜合力學(xué) 性能，實現(xiàn)了陶瓷材料強(qiáng)度、韌性和潤滑性的有機(jī)統(tǒng)一。由于存在由晶內(nèi)型、晶界型和納 米-納米型組成的混合型結(jié)構(gòu)，使材料具有非常高的斷裂韌性。同時，高溫摩擦?xí)r生成的潤 滑性氧化膜使材料具有較低的摩擦系數(shù)，作為結(jié)構(gòu)材料在高技術(shù)領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前 景和價值。由于粉體的化學(xué)組成、成分分布、純度、顆粒大小以及尺寸分布等對陶瓷材料的后 續(xù)成型和燒結(jié)都具有極大的影響，所以粉體的制備是整個陶瓷成型的關(guān)鍵。本發(fā)明利用納 米復(fù)合粉體的原位生成法來制備含有基體相、增強(qiáng)相和潤滑相的納米復(fù)合粉體，這種方法 能夠保證各相之間的均勻分散，可以為陶瓷材料的后續(xù)成型提供成分均勻、顆粒細(xì)小的納 米復(fù)合陶瓷粉體。
具體實施例方式實施例1將50gZr0Cl2 · 8H20、6gAl (NO3) 3 · 9H20 禾口 3. 5gY (NO3) 3 · 6H20 溶于 400ml 蒸溜水中， 攪拌使鹽完全溶解至溶液透明，并將3g用球磨法制備的納米鉬粉分散到上述溶液中。另 外，用蒸餾水配置0. IM的氨水溶液，將上述配好的兩種溶液緩慢滴加到300ml的pH為10 的氨水中，同時進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，待反應(yīng)完全，體系的PH值基本保持不變，得到前軀體。然后 分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌，最后在750°C溫度下煅燒2小時得到&02(3Y)/A1203/Mo納 米復(fù)合粉體。將制備好的納米復(fù)合粉體，用模壓成型，壓力為300MPa，成型后的坯體放入熱 壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400°C，壓力為30MPa，保溫時間為1小時，燒結(jié)氣氛為真空度 小于5X 的真空條件，制備出Y-TZP/A1203/Mo自潤滑納米復(fù)合陶瓷。材料的性能測試 表明制備的自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料的韌性為14. 6MPa · m"2，800°C高溫條件下的摩擦系 數(shù)和磨損率分別為0. 45 0. 49和1. 41 X 1(TW/N · m。實施例2將50gZr0Cl2 · 8H20、12. 5gAl (NO3) 3 · 9H20 和 3. 5gY (NO3) 3 · 6H20 溶于 400ml 蒸餾 水中，攪拌使鹽完全溶解至溶液透明，并將4. 5g用球磨法制備的納米鉬粉分散到上述溶液 中。另外，用蒸餾水配置0. IM的氨水溶液，將上述配好的兩種溶液緩慢滴加到300ml的pH 為10的氨水中，同時進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，待反應(yīng)完全，體系的pH值基本保持不變，得到前軀體。 然后分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌，最后在850°C溫度下煅燒2小時得到&02(3Y)/Al2O3/ Mo納米復(fù)合粉體。將制備好的納米復(fù)合粉體，用模壓成型，壓力為400MPa，成型后的坯體放入熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300°C，壓力為40MPa，保溫時間為1小時，燒結(jié)氣氛為真 空度小于5X 10’a的真空條件，制備出Y_TZP/A1203/Mo自潤滑納米復(fù)合陶瓷。材料的性能 測試表明制備的自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料的韌性為16. 3MPa · m"2，800°C高溫條件下的摩 擦系數(shù)和磨損率分別為0. 43 0. 47和1. 01 X KTW/N · m。實施例3將50gZr0Cl2 · 8H20、5gAl (NO3) 3 · 9H20 禾口 3. 5gY (NO3) 3 · 6H20 溶于 400ml 蒸溜水中， 攪拌使鹽完全溶解至溶液透明，并將7. 5g用球磨法制備的納米鉬粉分散到上述溶液中。另 外，用蒸餾水配置0. IM的氨水溶液，將上述配好的兩種溶液緩慢滴加到300ml的pH為10 的氨水中，同時進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，待反應(yīng)完全，體系的PH值基本保持不變，得到前軀體。然后 分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌，最后在700°C溫度下煅燒2小時得到&02(3Y)/A1203/Mo納 米復(fù)合粉體。將制備好的納米復(fù)合粉體，用模壓成型，壓力為500MPa，成型后的坯體放入熱 壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350°C，壓力為30MPa，保溫時間為1小時，燒結(jié)氣氛為真空度 小于5X 的真空條件，制備出Y-TZP/A1203/Mo自潤滑納米復(fù)合陶瓷。材料的性能測試 表明制備的自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料的韌性為17. 9MPa · m1/2，85(TC高溫條件下的摩擦系 數(shù)和磨損率分別為0. 40 0. 43和8. 7XIO^W/N · m。實施例4將50gZr0Cl2 · 8H20、IlgAl (NO3)3 · 9H20 和 3. 5gY (NO3)3 · 6H20 溶于 400ml 蒸餾水 中，攪拌使鹽完全溶解至溶液透明，并將2g用球磨法制備的納米鉬粉分散到上述溶液中。 另外，用蒸餾水配置0. IM的氨水溶液，將上述配好的兩種溶液緩慢滴加到300ml的pH為10 的氨水中，同時進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，待反應(yīng)完全，體系的PH值基本保持不變，得到前軀體。然后 分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌，最后在800°C溫度下煅燒2小時得到&02(3Y)/A1203/Mo納 米復(fù)合粉體。將制備好的納米復(fù)合粉體，用模壓成型，壓力為300MPa，成型后的坯體放入熱 壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400°C，壓力為25MPa，保溫時間為1小時，氬氣保護(hù)，制備出 Y-TZP/A1203/Mo自潤滑納米復(fù)合陶瓷。材料的性能測試表明制備的自潤滑納米復(fù)合陶瓷 材料的韌性為14. 3MPa ·π^2，700τ高溫條件下的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0. 47 0. 51和 1. 21X10_W/N · m。
權(quán)利要求
1.一種具有韌性的高溫自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料，其特征是材料由基體相、增強(qiáng)相 和潤滑相組成，材料的結(jié)構(gòu)主要由晶界型、晶內(nèi)型和納米-納米型三種類型的混合型組成； 基體相為ZrO2-Y2O3，按質(zhì)量百分比占65 80%，其晶粒尺寸為50 IOOnm ；增強(qiáng)相為Al2O3， 按質(zhì)量百分比占5 10%，其晶粒尺寸為100 150nm ；潤滑相為金屬M(fèi)o，按質(zhì)量百分比占 10 30%，其晶粒尺寸為200 300nm。
2.如權(quán)利要求1所述復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟A納米復(fù)合粉體的制備用沉淀法制備一種含有基體相、增強(qiáng)相和潤滑相的納米復(fù)合 陶瓷粉體，具體是選擇晶粒尺寸小于IOOnm的金屬鉬粉，將金屬鉬粉均勻分散到含有鋯鹽、 釔鹽和鋁鹽的水溶液中，利用沉淀反應(yīng)得到前軀體，煅燒得到納米復(fù)合粉體；B成型與燒結(jié)將納米復(fù)合粉體，用模壓成型，壓力為100 500MPa，成型后的坯體放入 熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)；其中燒結(jié)溫度為1300 1500°C，壓力為20 40MPa，保溫時間為0. 5 2h，在氬氣、氮?dú)饣蛘婵斩?lt; 5X 10_2Pa下保溫保護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有韌性的高溫自潤滑納米復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。材料由基體相、增強(qiáng)相和潤滑相組成，材料的結(jié)構(gòu)主要由晶界型、晶內(nèi)型和納米-納米型三種類型的混合型組成；基體相為ZrO2-Y2O3，按質(zhì)量百分比占65～80％，其晶粒尺寸為50～100nm；增強(qiáng)相為Al2O3，按質(zhì)量百分比占5～10％，其晶粒尺寸為100～150nm；潤滑相為金屬M(fèi)o，按質(zhì)量百分比占10～30％，其晶粒尺寸為200～300nm。材料的混合型結(jié)構(gòu)，具有非常高的斷裂韌性，高溫摩擦?xí)r生成的潤滑性氧化膜使材料具有較低的摩擦系數(shù)，可作為結(jié)構(gòu)材料使用。
文檔編號C10M125/04GK102094143SQ20091011769
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者張永勝, 李昊坤, 秦寶峰, 胡麗天, 胡天昌 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所