蘭州化物所自潤滑結構陶瓷系列研究獲主要進展

蘭州化物所自潤滑結構陶瓷系列研究獲主要進展

陶瓷潤滑復合材料除具有一般固體潤滑材料的優點，如使用溫度范圍寬、低摩擦、抗污染、高承載外，還具有密度低、結構理想、化學穩定性和熱穩定性優異以及使用壽命長等特點，可以在超高溫、強腐蝕等特殊工況下實現有效潤滑，在高技術領域具有廣泛的應用前景。

中國科學院蘭州化學物理研究所先進潤滑與防護材料研究發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合材料的研究。最近，他們在前期發展的陶瓷潤滑復合材料的基礎上（Wear， 2010， 268， 1091-1094；Wear， 2012， 280， 1-4； Compos. Part. B-Eng.，2013，48， 1-5； Mater. Des.， 2013，49， 421-425），通過仿生優化設計和宏/微觀結構調控，解決了陶瓷潤滑復合材料力學性能和摩擦學性能之間的矛盾，使其更具實用價值。這種基于仿生設計的陶瓷潤滑復合材料既保留了結構陶瓷本身的優異力學性能，又能滿足材料表面的潤滑功能，實現了陶瓷復合材料的結構/潤滑功能一體化，是一種真正意義上的自潤滑結構陶瓷，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）。

通過仿生界面結構和過渡層設計可進一步提高材料的力學性能和可靠性，具有連續彎曲和橋連結構界面的氧化鋁層狀復合材料不僅保持了氧化鋁陶瓷高強度的特性，同時也具有普通層狀復合材料高韌性和高能量耗散的特性，實現了材料彎曲強度和斷裂韌性的統一。研究還表明，仿生界面微結構不僅有利于材料的力學性能和摩擦學性能，還可顯著提高陶瓷復合材料的整體性和抗熱震穩定性（J. Eur. Ceram. Soc.， 2015， 35， 1123-1127； J. Eur. Ceram. Soc.，2015， 35， 1581-1591； Mater. Des.， 2015，65， 1205-1213）。

為了克服層狀結構復合材料的摩擦學各向異性，該研究團隊仿照竹木結構，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構的復合陶瓷，其斷裂功高達3883 J·m-2，比常規氧化鋁陶瓷提高了近30倍。同時，利用類似連續相形式分布的胞界面層，可使復合材料的每個面在高溫下均可獲得較低的摩擦系數（Tribol. Lett.， 2016， 61，1-7）。

另外，將織構圖案作為固體潤滑劑（膜）的貯存槽，利用表面制備技術在陶瓷表面形成三維復合潤滑結構，可使其表面的摩擦學性能得到進一步改善。沉積類金剛石碳基薄膜的復合潤滑層在水環境下的摩擦系數可降低至0.06，相比光滑面的0.51降低了近一個數量級。同時，利用摩擦化學原理設計的復合潤滑層，可實現材料在室溫至800°C溫度范圍內連續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，研究人員分別構建了適用于水環境和高溫工況服役條件的自潤滑結構陶瓷，為高溫、腐蝕環境用潤滑材料的制備與應用奠定了理論基礎和技術支撐。

該系列研究工作已獲得授權國家發明專利5件，應邀撰寫英文專著4章，得到國家自然科學基金項目、國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、中科院科技創新基金項目、中科院“西部之光”和“青年創新促進會”人才培養項目的長期支持。

（中科院蘭化所）