蘭州化物所自潤滑結(jié)構(gòu)陶瓷系列研究獲主要進(jìn)展

蘭州化物所自潤滑結(jié)構(gòu)陶瓷系列研究獲主要進(jìn)展

陶瓷潤滑復(fù)合材料除具有一般固體潤滑材料的優(yōu)點，如使用溫度范圍寬、低摩擦、抗污染、高承載外，還具有密度低、結(jié)構(gòu)理想、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)異以及使用壽命長等特點，可以在超高溫、強(qiáng)腐蝕等特殊工況下實現(xiàn)有效潤滑，在高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所先進(jìn)潤滑與防護(hù)材料研究發(fā)展中心特種潤滑油脂與密封材料課題組多年來致力于陶瓷潤滑復(fù)合材料的研究。最近，他們在前期發(fā)展的陶瓷潤滑復(fù)合材料的基礎(chǔ)上（Wear， 2010， 268， 1091-1094；Wear， 2012， 280， 1-4； Compos. Part. B-Eng.，2013，48， 1-5； Mater. Des.， 2013，49， 421-425），通過仿生優(yōu)化設(shè)計和宏/微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，解決了陶瓷潤滑復(fù)合材料力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能之間的矛盾，使其更具實用價值。這種基于仿生設(shè)計的陶瓷潤滑復(fù)合材料既保留了結(jié)構(gòu)陶瓷本身的優(yōu)異力學(xué)性能，又能滿足材料表面的潤滑功能，實現(xiàn)了陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)/潤滑功能一體化，是一種真正意義上的自潤滑結(jié)構(gòu)陶瓷，可望滿足高端裝備對潤滑材料耐高溫、耐腐蝕、低摩擦、長壽命和高可靠的要求（Wear，2014， 320， 152-160； Wear， 2015， 338-339， 351-361；J. Eur. Ceram. Soc.， 2015， 35， 1581-1591）。

通過仿生界面結(jié)構(gòu)和過渡層設(shè)計可進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能和可靠性，具有連續(xù)彎曲和橋連結(jié)構(gòu)界面的氧化鋁層狀復(fù)合材料不僅保持了氧化鋁陶瓷高強(qiáng)度的特性，同時也具有普通層狀復(fù)合材料高韌性和高能量耗散的特性，實現(xiàn)了材料彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性的統(tǒng)一。研究還表明，仿生界面微結(jié)構(gòu)不僅有利于材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，還可顯著提高陶瓷復(fù)合材料的整體性和抗熱震穩(wěn)定性（J. Eur. Ceram. Soc.， 2015， 35， 1123-1127； J. Eur. Ceram. Soc.，2015， 35， 1581-1591； Mater. Des.， 2015，65， 1205-1213）。

為了克服層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的摩擦學(xué)各向異性，該研究團(tuán)隊仿照竹木結(jié)構(gòu)，以氧化鋁為胞體材料、金屬鉬為胞界面材料制備了具有纖維獨石結(jié)構(gòu)的復(fù)合陶瓷，其斷裂功高達(dá)3883 J·m-2，比常規(guī)氧化鋁陶瓷提高了近30倍。同時，利用類似連續(xù)相形式分布的胞界面層，可使復(fù)合材料的每個面在高溫下均可獲得較低的摩擦系數(shù)（Tribol. Lett.， 2016， 61，1-7）。

另外，將織構(gòu)圖案作為固體潤滑劑（膜）的貯存槽，利用表面制備技術(shù)在陶瓷表面形成三維復(fù)合潤滑結(jié)構(gòu)，可使其表面的摩擦學(xué)性能得到進(jìn)一步改善。沉積類金剛石碳基薄膜的復(fù)合潤滑層在水環(huán)境下的摩擦系數(shù)可降低至0.06，相比光滑面的0.51降低了近一個數(shù)量級。同時，利用摩擦化學(xué)原理設(shè)計的復(fù)合潤滑層，可實現(xiàn)材料在室溫至800°C溫度范圍內(nèi)連續(xù)加熱過程中的寬溫域潤滑（Wear， 2015， 334-335， 23-34； Wear， 2016， 360-361， 97-103； Tribol. Int.， 2014， 78， 134-141； Tribol. Int.， 2015， 84， 142-151； Tribol. Int.， 2016， 96， 258-268）。

基于以上研究，研究人員分別構(gòu)建了適用于水環(huán)境和高溫工況服役條件的自潤滑結(jié)構(gòu)陶瓷，為高溫、腐蝕環(huán)境用潤滑材料的制備與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

該系列研究工作已獲得授權(quán)國家發(fā)明專利5件，應(yīng)邀撰寫英文專著4章，得到國家自然科學(xué)基金項目、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、中科院科技創(chuàng)新基金項目、中科院“西部之光”和“青年創(chuàng)新促進(jìn)會”人才培養(yǎng)項目的長期支持。

（中科院蘭化所）