一種氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料及其制備方法。材料由氧化鋁、氧化鋯和復合潤滑劑制成，表層為氧化鋁層，間隔層為氧化鋁-氧化鋯層，材料以鋪層-冷壓-熱壓工藝制備。材料兼具優異的力學和摩擦學性能，適應溫度范圍寬(室溫～1000℃)，可用作極端苛刻環境(高溫、腐蝕、特殊氣氛等)下的潤滑與密封材料。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種高性能陶瓷復合材料及制備方法，具體為一種熱壓燒結制備層狀-梯度復合結構高性能氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料及其制備方法。
技術介紹
陶瓷自潤滑復合材料是隨著航空航天等現代軍工技術的發展，為適應苛刻工況條件下的潤滑要求而迅速發展起來的新型潤滑材料。這類潤滑材料在耐高低溫、環境適應性等方面有著顯著的優勢。而且，從未來的發展來看，高溫結構陶瓷是唯一可在1000°c以上長時間工作，同時具有高強度和耐腐蝕性能的低密度潤滑材料。但在研究和實際應用中，陶瓷自潤滑復合材料表現出一系列不足，主要體現在固體潤滑劑在高溫燒結過程中的氧化、分解和揮發及其對基體連續性的破壞會顯著降低復合材料的強度、韌性和耐磨性，從而降低了材料本身的可靠性和穩定性，限制了其實際應用。因此，設計制備兼具優異力學和摩擦學性能的陶瓷自潤滑復合材料，對推動其在我國航空、航天等領域的應用具有重要的意義。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種具有層狀-梯度復合結構，具有高強度、高韌性，且在室溫到1000°c溫度范圍內具有自潤滑性能、制備工藝簡單、燒結溫度低的氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料及其制備方法。本專利技術的技術方案如下 :一種氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料，其特征在于材料由氧化鋁、氧化鋯和復合潤滑劑制成，表層為氧化鋁層，間隔層為氧化鋁-氧化鋯層；所述的氧化鋁層由氧化鋁(40 IOOwt % )、燒結助劑(O IOwt % ) [ (O 5wt% )氧化銅+ (0 5wt% ) 二氧化鈦]、復合潤滑劑(O 50wt% )制成；氧化招-氧化錯層由氧化招-氧化錯(40 IOOwt % )、燒結助劑(O IOwt % ) [ (O 5wt% )氧化銅+(0 5wt% ) 二氧化鈦]、復合潤滑劑(O 50wt% )制成。在其疊層中，由里向外，復合潤滑劑成份從無到有，由少增多，形成梯度，其占各層質量百分比為0% 50%。所述的復合潤滑劑由石墨(O IOwt % )、硫酸鋇(O IOwt % )和氟化鈣](O 80wt% )組成。所述的氧化鋁-氧化鋯層中，氧化鋯(含2 3mol%氧化釔)的含量為8 12wt % ο所述的氧化鋁層和氧化鋁-氧化鋯層的層厚比為1:1。一種氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料的制備方法，其特征在于以商品化氧化鋁、氧化鋯、氧化銅、氧化鈦、氧化釔、石墨、硫酸鋇和氟化鈣粉體為原料，經物理機械方法按比例球磨得到混合好的氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯初始粉體；在鋼模具中，將混合好的氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯初始粉體交替鋪層，隨后進行冷壓成型，成型壓力為20 200MPa ;將冷壓成型的層狀坯體放入通有保護氣氛(高純氮氣、氬氣或氦氣)的熱壓爐內燒結，升溫速率為5 20°C /分鐘，燒結溫度為1200 1350°C，燒結壓力為20 30MPa，燒結時間為30 60分鐘。本專利技術的設計原理如下:材料由異質的硬質層Al2O3和Al2O3-ZrO2 (3Y)相間排列而成，形成強界面結合的仿生層狀結構，在硬質層Al2O3和Al2O3-ZrO2 (3Y)層中均勻分布有一定數量的固體潤滑組元，且潤滑組元的含量從表層向里形成梯度變化的結構。這種結構由于中間力學承載區為層狀結構，層狀結構中殘余應力與ZrO2相變增韌協同作用，使材料具有較高強度和韌性；另外，利用均勻分布的固體潤滑組元在摩擦表面的拖敷形成潤滑膜而改善摩擦界面的接觸狀態，滿足在一定溫度范圍內連續潤滑或在特定溫度下潤滑，實現了陶瓷材料的結構/潤滑功能一體化設計。本專利技術的優點是:1、兼具優異的力學性能(高韌性、高彎曲強度)和摩擦學性能(在室溫到1000°C溫度范圍內具備自潤滑性能)。本專利技術的氧化鋁自潤滑復合材料，具有層狀-梯度復合結構特征。這種結構使材料兼具優異的力學和摩擦學性能，在室溫到1000°c的溫度范圍內，材料的摩擦系數遠低于單層氧化鋁陶瓷 ，呈現出優異的自潤滑性能；材料的韌性、彎曲強度和單層氧化鋁陶瓷相當，遠大于單層氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料。以Al2O3層和Al2O3-1Owt%ZrO2 (3Y)層的層厚比為I:1、層厚為82 μ m為例:Al2O3Al2O3-ZrO2 (3Y)自潤滑復合材料的彎曲強度可達350MPa，和單層氧化鋁陶瓷相當，是單層氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料的5倍多；其摩擦系數遠低于單層氧化鋁陶瓷，在室溫到1000°C的溫度范圍內與氧化鋯陶瓷對磨時，材料的摩擦系數均低于0.5，是單層氧化鋁陶瓷的一半左右。同時，復合材料的彎曲強度、摩擦學性能和梯度指數、層厚及復合潤滑劑含量有著明顯的關系，表明這種復合材料的性能可以通過調整層厚、梯度指數及潤滑劑含量來控制。2、制備工藝簡單。本專利技術采用簡單的鋪層和熱壓工藝最終制備出高性能Al2O3陶瓷自潤滑層狀復合材料，工藝簡單、可操作性強、重復性好。同時，為了得到不同體積的復合材料，只需通過調整模具尺寸和復合材料的層數即可，為滿足不同工況條件提供了方便。此夕卜，引入復合燒結助劑，將材料的燒結溫度控制在1300°C左右，減少了固體潤滑劑的氧化、分解和揮發，從而保證了潤滑劑作用的有效發揮，優化了材料的性能。具體實施例方式實施例1將粒徑范圍為100 200目的氧化招50克、氧化錯5克、氧化鈦2克和氧化銅0.5克在酒精介質中球磨24小時得到氧化鋁-氧化鋯混合粉體；將100 200目的氧化鋁50克、氧化鈦2克和氧化銅0.5克在酒精介質中球磨24小時得到氧化鋁混合粉體；將100 200目的氟化鈣70克、石墨10克、硫酸鋇10克在酒精介質中球磨12小時得到復合固體潤滑劑；將上述球磨好的復合固體潤滑劑按質量分數為5、15、25、35、45%加入到氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯混合粉體中，得到不同潤滑劑含量的氧化鋁/潤滑劑和氧化鋁-氧化鋯/潤滑劑復合粉體；在鋼模具中將制備好的氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯及氧化鋁/潤滑劑和氧化鋁-氧化鋯/潤滑劑復合粉體交替鋪層，層厚均為0.5mm,由表向里，復合潤滑劑含量遞減，鋪層完畢在IOOMPa壓力下冷壓預成型。最后，放入熱壓爐中燒結，升溫速率為10°C /分鐘，燒結溫度為1300°C，燒結壓力為20MPa，燒結時間為50分鐘，整個燒結過程都是在氬氣保護下進行。最終獲得的燒結樣品經分析可知，層狀-梯度結構明顯，每層的平均厚度約為85 μ m0實施例2將粒徑范圍為100 200目的氧化招50克、氧化錯5克、氧化鈦2克和氧化銅0.5克在酒精介質中球磨24小時得到氧化鋁-氧化鋯混合粉體；將100 200目的氧化鋁50克、氧化鈦2克和氧化銅0.5克在酒精介質中球磨24小時得到氧化鋁混合粉體；將100 200目的氟化鈣70克、石墨10克、硫酸鋇10克在酒精介質中球磨12小時得到復合固體潤滑劑；將上述球磨好的復合固體潤滑劑按質量分數為5、15、25、35、45%加入到氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯混合粉體中，得到不同潤滑劑含量的氧化鋁/潤滑劑和氧化鋁-氧化鋯/潤滑劑復合粉體；在鋼模具中將制備好的氧化鋁和氧化鋁-氧化鋯及氧化鋁/潤滑劑和氧化鋁-氧化鋯/潤滑劑復合·粉體交替鋪層，層厚均為2mm，由表向里，復合潤滑劑含量遞減，鋪層完畢在120MPa壓力下冷壓預成型。最后，放入熱壓爐中燒結，升溫速率為10°C /分鐘，燒結溫度為1350°C，燒結壓力為20MPa，燒結時間為50分鐘，整個燒結過程都本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料，其特征在于材料由氧化鋁、氧化鋯和復合潤滑劑制成，表層為氧化鋁層，間隔層為氧化鋁?氧化鋯層；所述的氧化鋁層由氧化鋁(40～100wt％)、燒結助劑(0～10wt％)[(0～5wt％)氧化銅+(0～5wt％)二氧化鈦]、復合潤滑劑(0～50wt％)制成；氧化鋁?氧化鋯層由氧化鋁?氧化鋯(40～100wt％)、燒結助劑(0～10wt％)[(0～5wt％)氧化銅+(0～5wt％)二氧化鈦]、復合潤滑劑(0～50wt％)制成。

【技術特征摘要】
1.一種氧化鋁陶瓷自潤滑復合材料，其特征在于材料由氧化鋁、氧化鋯和復合潤滑劑制成，表層為氧化鋁層，間隔層為氧化鋁-氧化鋯層；所述的氧化鋁層由氧化鋁(40 IOOwt % )、燒結助劑(O IOwt % ) [ (O 5wt% )氧化銅+ (0 5wt% ) 二氧化鈦]、復合潤滑劑(O 50wt% )制成；氧化招-氧化錯層由氧化招-氧化錯(40 IOOwt % )、燒結助劑(O IOwt % ) [ (O 5wt% )氧化銅+(0 5wt% ) 二氧化鈦]、復合潤滑劑(O 50wt% )制成。2.如權利要求1所述的材料，其特征在于材料疊層中，由里向外，復合潤滑劑成份從無到有，由少增多，形成梯度，其占各層質量百分比為0% 50%。3.如權利要求1所述的材料，其特征在于復合潤滑劑由石墨(O IOwt%)、硫酸鋇(O IOwt % )和氟化I丐]...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張永勝，齊亞娥，胡麗天，
申請(專利權)人：中國科學院蘭州化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：