B4C/hBN復相陶瓷的摩擦化學行為

項目摘要

B4C陶瓷具有高硬度、優異的化學穩定性和高的中子吸收截面等突出特點，在很多場合下可與陶瓷或金屬構成摩擦副。然而由於其可加工性能和摩擦學性能較差，從而限制了其工程化套用。陶瓷基體中引入第二相，是改善其性能的有效途徑，並成為當今陶瓷材料研究熱點之一。近期已有研究表明，將hBN引入B4C陶瓷中可明顯改善其加工性能，並發現hBN對Si3N4、Al2O3等陶瓷材料的摩擦學性能影響顯著，但目前關於B4C/hBN復相陶瓷的摩擦學研究尚屬空白。本項目擬系統研究B4C/hBN復相陶瓷的摩擦學特性，重點研究其摩擦化學行為。主要內容有：①不同摩擦條件下的摩擦學性能表征；②摩擦面上形成的表面膜組成與性能分析；③復相陶瓷的界面對表面膜形成的影響；④探索表面膜的形成機理與潤滑機制。復相陶瓷界面的試驗研究與模擬計算相結合是本項目主要特色；掌握B4C/hBN復相陶瓷的摩擦學規律，揭示其摩擦化學機理，是本項目的主要目的。

結題摘要

碳化硼(B4C)陶瓷具有高硬度、低密度、優異的化學穩定性等優良特點，在工程領域套用廣泛。但由於其與陶瓷、金屬配副的摩擦學性能較差，制約了其在耐磨材料領域的套用。將固體潤滑劑加入陶瓷基體中構成自潤滑陶瓷可有效改善陶瓷的摩擦學性能。本項目將六方氮化硼(hBN)引入B4C基體中，通過熱壓燒結的方法製備B4C/hBN復相陶瓷，系統研究了B4C/hBN與不同材料配副的摩擦學性能。本項目的創新性成果主要體現在：(1)乾摩擦條件下，B4C/hBN與純B4C配副時，配副方式對摩擦學性能影響顯著。當採用上銷下盤的配副方式時，摩擦過程中產生的摩擦產物駐留在盤表面，構成磨粒磨損，此時hBN的加入無法改善復相陶瓷與純B4C配副的摩擦學性能；當採用上盤下銷的配副方式下，大部分磨屑由於重力作用脫離摩擦表面，摩擦過程中在盤的摩擦表面形成了含硼酸(H3BO3)的表面膜，磨損機制由磨粒磨損轉為化學磨損，大幅改善了摩擦學性能。(2)蒸餾水潤滑條件下，B4C/hBN與純B4C配副時，復相陶瓷中的hBN可與水分子發生反應生成H3BO3，從而在摩擦表面形成潤滑膜，大幅降低了配副的摩擦因數。(3)乾摩擦條件下，B4C/hBN與奧氏體不鏽鋼(ASS)配副時，可在銷、盤試樣表面同時形成含B2O3和Fe2O3的氧化膜，摩擦因數可由純B4C與ASS配副的0.631降低至BN30與ASS配副的0.081。(4)乾摩擦條件下，B4C/hBN與灰鑄鐵配副時，試驗載荷對摩擦學性能影響重大，當載荷為5N時，BN30-HT摩擦副的銷表面可形成含B2O3和Fe2O3的表面膜，摩擦因數由BN00-HT時的0.5降低至BN30-HT時的0.2，當載荷增至10N時，BN30銷表面膜碎裂，磨損機制由5N載荷時的化學磨損轉為10N載荷下的磨粒磨損，摩擦因數升至0.6。(5)乳化液潤滑條件下，B4C/hBN與灰鑄鐵配副時，當採用浸入法乳化液潤滑時，所得摩擦產物被沖入乳化液中，構成磨料磨損，當採用滴定法乳化液時，所得摩擦產物可覆蓋在復相陶瓷銷表面，構成化學磨損，摩擦因數降低至0.008。(6)採用密度泛函理論(DFT)進行了體相及表面計算，獲得了B4C和hBN的基態性質、表面能等參數，為探索B4C/hBN復相陶瓷的潤滑機制提供重要理論指導。

B4C/hBN復相陶瓷的摩擦化學行為

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