[发明专利]具有韧性的高温自润滑纳米复合陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高韧性的高温自润滑纳米复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

陶瓷基自润滑复合材料被认为是最有发展潜力和实用价值的陶瓷润滑技术，在航空航天和国防等高科技领域有着广泛的应用前景和价值。但目前研究中还存在几个主要的问题：①在陶瓷基自润滑复合材料中，为了改善材料的高温摩擦学性能，通常会引入一定量的固体润滑组元，而这些柔性、层状结构、各向异性的固体润滑组元的引入会产生大量的弱界面层，从而引起材料机械性能的下降，特别是断裂韧性和表面硬度。②陶瓷材料本身的可靠性和稳定性一直是限制其广泛应用的原因之一。

针对上述陶瓷基自润滑复合材料制备和性能控制方面所存在的问题，近年来发展起来的陶瓷材料新型设计理念为解决这些问题提供了切实可行的途径。首先，纳米复相陶瓷的出现，为陶瓷材料的发展带来了新的希望。纳米复相陶瓷材料是新发展起来的一种陶瓷复合材料，是陶瓷材料新型设计理念和纳米技术相结合的产物。这是一种通过有效的分散、复合而使异质相(第二相)纳米粒子均匀弥散地保留在陶瓷基体中而得到复合材料。研究表明，与传统的微米陶瓷相比，纳米复相陶瓷材料不仅室温力学性能有较大提高，而且能显著改善高温性能(如高温硬度、强度、蠕变抗力和耐热冲击性能等)。纳米复相陶瓷材料由于优异的力学性能，特别是高温力学性能引起人们的广泛关注。但对纳米复相陶瓷摩擦学特别是润滑技术的研究相对较少。其次，添加金属第二相有可能同时提高陶瓷材料的力学和摩擦学性能。根据氧化物类固体润滑剂的摩擦学性能，人们发现可用氧化膜进行高温润滑。金属在空气中摩擦时，能与大气中的氧发生反应，形成具有自修复性的润滑氧化膜，从而起到自润滑的作用。而且，金属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属第二相可大大提高烧结活性，不仅起到金属增韧的效果，而且也可使陶瓷具有一定的导电、导热性，从而使其加工方便以及扩大其在其它行业中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高韧性的高温自润滑纳米复合陶瓷材料及其制备方法。

通过纳米技术、金属增韧以及原位生成等综合技术来制备自润滑纳米复合陶瓷材料，在保留陶瓷自身的耐高温、耐磨性等优良性能的基础上，还能大幅度提高其综合力学性能，实现陶瓷材料的强度、韧性和润滑性的有机统一。

一种具有韧性的高温自润滑纳米复合陶瓷材料，其特征是：材料由基体相、增强相和润滑相组成，材料的结构主要由晶界型、晶内型和纳米-纳米型三种类型的混合型组成；基体相为ZrO₂-Y₂O₃，按质量百分比占65～80％，其晶粒尺寸为50～100nm；增强相为Al₂O₃，按质量百分比占5～10％，其晶粒尺寸为100～150nm；润滑相为金属Mo，按质量百分比占10～30％，其晶粒尺寸为200～300nm。

一种具有韧性的高温自润滑纳米复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

A纳米复合粉体的制备：用沉淀法制备一种含有基体相、增强相和润滑相的纳米复合陶瓷粉体，具体是选择晶粒尺寸小于100nm的金属钼粉，将金属钼粉均匀分散到含有锆盐、钇盐和铝盐的水溶液中，利用沉淀反应得到前躯体，煅烧得到纳米复合粉体；

B成型与烧结：将纳米复合粉体，用模压成型，压力为100～500MPa，成型后的坯体放入热压烧结炉中烧结；其中烧结温度为1300～1500℃，压力为20～40MPa，保温时间为0.5～2h，在氩气、氮气或真空度＜5×10^-2Pa下保温保护。

本发明的陶瓷材料，通过纳米技术、金属增韧及原位生成等综合技术的有效结合，使陶瓷材料在保留自身的耐高温、耐磨性等优良性能的基础上，大幅度提高其综合力学性能，实现了陶瓷材料强度、韧性和润滑性的有机统一。由于存在由晶内型、晶界型和纳米-纳米型组成的混合型结构，使材料具有非常高的断裂韧性。同时，高温摩擦时生成的润滑性氧化膜使材料具有较低的摩擦系数，作为结构材料在高技术领域显示出巨大的应用前景和价值。

由于粉体的化学组成、成分分布、纯度、颗粒大小以及尺寸分布等对陶瓷材料的后续成型和烧结都具有极大的影响，所以粉体的制备是整个陶瓷成型的关键。本发明利用纳米复合粉体的原位生成法来制备含有基体相、增强相和润滑相的纳米复合粉体，这种方法能够保证各相之间的均匀分散，可以为陶瓷材料的后续成型提供成分均匀、颗粒细小的纳米复合陶瓷粉体。

具体实施方式

实施例1