| 题名 | 纤维独石结构自润滑复合陶瓷的断裂行为与摩擦学性能研究 |
| 作者 | 陈淑娜 |
| 答辩日期 | 2022-05-20 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 张永胜,苏云峰 |
| 关键词 | 仿生结构，自润滑复合陶瓷，增韧机理，R曲线行为，摩擦学性能 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 其他题名 | 无 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 英文摘要 | 纤维独石结构自润滑复合陶瓷是将仿生结构和自润滑复合陶瓷的设计思想相结合，发展的一类新型自润滑复合材料，能够有效克服均相陶瓷的脆性缺陷，同时改善摩擦学性能，在苛刻服役工况下作为滑动结构部件具有广泛的应用前景和价值。本论文基于纤维独石结构自润滑复合陶瓷设计原则，通过成分体系调控、宏/微观结构参数和几何参数优化，构筑了可服役于不同温度域的高可靠自润滑复合陶瓷，实现了陶瓷材料力学和摩擦学性能的协同提升，并深入探究了材料的断裂和摩擦磨损行为的演变规律，揭示了其增韧机理和减摩抗磨机制。获得的主要结论如下： 1. 以Al2O3纤维作为胞体，GO为界面相前驱体，构筑了具有不同纤维胞体直径的Al2O3/rGO纤维独石结构自润滑复合陶瓷，考察不同纤维胞体直径对其力学和摩擦学性能的影响规律。材料裂纹扩展韧性和断裂功最高可达29.46±3.04 MPa·m1/2和799±127 J·m-2，分别比单相Al2O3陶瓷提高了475％和1075％；材料每个表面均展现出优异的减摩抗磨性能，磨损率最低为1.5×10-8 mm3/Nm，比单相Al2O3陶瓷降低近1个数量级。同时明确了材料断裂过程中的裂纹扩展行为，建立了裂纹扩展长度与扩展阻力的关系，并进一步揭示了材料的增韧与减摩抗磨机制。 2. 针对中高温服役环境，以Cr2O3作为界面相和润滑组元，设计制备了Al2O3/Cr2O3纤维独石结构自润滑复合陶瓷，其裂纹扩展韧性可达9.05±1.31 MPa·m1/2，且强度能保持在440±75 MPa；并展现出优异的中高温（≤800 °C）摩擦学性能。600 °C条件下材料的摩擦系数和磨损率分别低至0.29±0.02 和1.07×10-5 mm3/Nm，仅为单相Al2O3陶瓷的22%和3.5%。 3. 设计制备了不同粘结剂体系的PcBN复合陶瓷，研究了粘结剂体系和烧结工艺对其结构和性能的影响，进而发展了其低温低压的致密化烧结技术并获得了具有优异高温力学性能的PcBN复合陶瓷。其中以Sialon相为粘结剂体系的PcBN复合陶瓷在室温至800 ℃范围内能够保持相当高的力学承载能力，800 ℃条件下的抗弯强度和断裂韧性分别为467±18 MPa和5.13±0.40 MPa·m1/2，为超高温纤维独石结构复合陶瓷的组分设计提供了思路。 4. 以高温条件下的高承载与有效润滑为目标，制备了PcBN/hBN纤维独石结构自润滑复合陶瓷。材料表现出高的裂纹扩展阻力和结构可靠性，在室温、1000 ℃和1100 ℃条件下，材料最大裂纹扩展韧性分别可达21.0±1.9 MPa·m1/2、18.1±4.2 MPa·m1/2和19.2±3.4 MPa·m1/2；而且在1000 ℃条件下，其摩擦系数和磨损率可分别低至0.33和3.80×10-3 mm3/Nm，实现了高温条件下材料力学和摩擦学性能的协同提升，使它作为高温滑动结构件具有良好的应用前景。 5. 基于宏/微观多级结构设计理念，对纤维独石结构复合陶瓷进行精细化设计和界面结构优化。以微米Al2O3纤维为基本结构单元，发展了Al2O3/hBN/Al2O3纤维独石结构复合陶瓷，其裂纹扩展韧性比相应的裂纹引发韧性提高了247%，且其损伤容限参数（0.843 m1/2）和可容许内在缺陷尺寸（0.214 mm）也保持在较高水平。同时考察了材料断裂过程中的裂纹扩展行为，并对比了材料体系、几何和结构参数与力学性能和损伤特性的关系，直观地反映材料的构效关系，从而指导材料的可靠性设计。 |
| 页码 | 160 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/30084]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈淑娜. 纤维独石结构自润滑复合陶瓷的断裂行为与摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2022. |
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