Ti3AlC2/石墨烯復(fù)合陶瓷摩擦磨損性能的研究

李喜坤，宋曉東，齊艷雨，蔡 明

（沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110159）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，材料在人類的科技進(jìn)步中的作用越來(lái)越重要，高新技術(shù)的快速進(jìn)步對(duì)新材料的研究提出了更高的要求，很多國(guó)家都將新材料的研究與開發(fā)列為關(guān)鍵技術(shù)[1]。

石墨烯的概念在20世紀(jì)40年代被提出，安德烈·海姆等[2]也因?yàn)閷?duì)2D石墨烯材料的貢獻(xiàn)獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于石墨烯的強(qiáng)度、剛度和彈性都非常的良好，并且其熱導(dǎo)率和電子遷移率也很高，越來(lái)越多的科學(xué)家開始致力于石墨烯的研究[3-4]。

石墨烯是通過(guò)碳原子相互之間緊密堆積而形成的二維原子體[5]，石墨烯是一種非金屬材料，但由于其性質(zhì)類似于半導(dǎo)體金屬，通常被稱為準(zhǔn)金屬。因此，具有許多其他非金屬材料不具有的獨(dú)特性質(zhì)[6]。由于石墨烯具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能[7]，將其加入到陶瓷復(fù)合材料中，可以使得陶瓷復(fù)合材料的各個(gè)性能都有提高，整體的性能得到改善，有時(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn)一些具有獨(dú)特的性能的集成結(jié)構(gòu)和一些突出的功效[8]，從而提高金屬材料的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能及導(dǎo)電、導(dǎo)熱等物理性能，從而得到高性能的結(jié)構(gòu)和功能材料。

本實(shí)驗(yàn)為獲得摩擦磨損性能更好的陶瓷復(fù)合材料以延長(zhǎng)受電弓滑板的壽命，采用熱壓燒結(jié)方法制備復(fù)合陶瓷材料，研究石墨烯含量對(duì)其摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與材料

以Ti3AlC2陶瓷為基體材料，石墨烯為強(qiáng)化相，制備Ti3AlC2/石墨烯復(fù)合陶瓷材料。具體配方如下：按TiC:Ti:Al=2:1:1制備Ti3AlC2，石墨烯的質(zhì)量為變量，具體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%、0.15%、0.175% 和0.2%。

1.2 Ti3AlC2/C復(fù)合陶瓷的制備

按配方稱取60 g原料，采用濕法球磨的方式，將氧化鋯磨球、原料粉末和無(wú)水乙醇按3：1：0.7的比例加入到球磨筒中，球磨機(jī)的運(yùn)行速度為40 rad/min，混料時(shí)間為12 h。隨后，將原料置于真空烘干機(jī)中，在90 ℃下干燥6 h。然后將干燥后的粉末放入石墨模具中，在真空熱壓燒結(jié)爐中（ZT-50-22Y）進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1 400 ℃，保溫60 min，壓力為25 MPa。

1.3 分析和測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)XRD衍射儀和掃描電鏡（SEM）分析其顯微組織；使用MDW-02型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣的摩擦磨損性能，載荷是30 N，載荷下試驗(yàn)40 min，摩擦副選用氧化鋯球。采用精度為萬(wàn)分位的電子天平對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的試樣進(jìn)行稱重，計(jì)算磨損率；采用數(shù)顯維氏硬度計(jì)（HVS-50）測(cè)試試樣的硬度，試驗(yàn)力為300 N，保持載荷10 s后卸載，測(cè)量10組數(shù)據(jù)，去掉最大和最小的數(shù)據(jù)后取平均值得到硬度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為石墨烯/Ti3AlC2復(fù)合陶瓷材料試樣的XRD圖譜。

圖1 不同石墨烯含量的石墨烯/Ti3AlC2復(fù)合陶瓷XRD圖譜

根據(jù)Ti-Al-C三元體系的反應(yīng)機(jī)理以及文獻(xiàn)[9]，對(duì)燒結(jié)反應(yīng)機(jī)理分析如下：

結(jié)合XRD圖譜，利用公式計(jì)算Ti3AlC2和TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。具體公式（5）如下：

WTiC和WTi3AlC2分別代表TiC和Ti3AlC2的含量，ITiC和ITi3AlC2分別表示TiC(111)衍射峰強(qiáng)度和Ti3AlC2（104）衍射峰強(qiáng)度，利用公式計(jì)算出Ti3AlC2和TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，具體的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 TiC和Ti3AlC2質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

由圖1對(duì)比圖中曲線發(fā)現(xiàn)，不同配比下的物相基本相同，主要物相為Ti3AlC2和TiC，其明顯特征衍射峰（晶面指數(shù)）分別在2θ=39.037°（104）、41.710°（200），沒(méi)有找到石墨烯的成分C的衍射峰，其原因可能是石墨烯在復(fù)合材料中的含量較低，檢測(cè)不出碳元素的衍射峰。從表1中可以看出，隨著石墨烯含量的增加Ti3AlC2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之增加，在石墨烯含量為0.175%時(shí)，Ti3AlC2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值，繼續(xù)增加石墨烯含量時(shí)，Ti3AlC2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。

2.2 SEM分析

圖2是試樣的掃描電鏡照片，圖2（a）～2（e）中石墨烯含量分別為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%和0。由圖可知，復(fù)合陶瓷粉體經(jīng)過(guò)1 400 ℃燒結(jié)后的晶粒形狀不規(guī)則，尺寸也不均勻，隨著石墨烯含量的增多，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.1%時(shí)，尺寸較大的晶粒的數(shù)量逐漸減少。

圖2 不同石墨含量的石墨烯/Ti3AlC2復(fù)合材料掃描電鏡照片

2.3 硬度值分析

圖3為試樣硬度的折線圖。

圖3 不同石墨烯含量的石墨烯/Ti3AlC2復(fù)合材料硬度值

由圖3可知，隨著石墨烯含量的增加，試樣的硬度值有所降低，在石墨烯含量超過(guò)0.1%時(shí)，硬度值逐漸升高，在含量為0.15%時(shí)到達(dá)最大值后繼續(xù)下降。這是由于石墨烯摻雜在陶瓷晶格間隙、晶格結(jié)點(diǎn)和晶界等位置，對(duì)陶瓷基體起到固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化的作用，在含量為0.15%時(shí)作用最強(qiáng)，從而使其強(qiáng)度、硬度顯著增加。

2.4 摩擦磨損性能分析

表2為試樣經(jīng)摩擦磨損測(cè)試后磨損量，1到9的石墨烯含量分別為0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%、0.15%、0.175%、0.2%、0。可以看出，摻入石墨烯的試樣其耐摩擦磨損性能明顯優(yōu)于第9組即空白對(duì)照組。

表2 試樣經(jīng)摩擦磨損測(cè)試后損失量 單位：g

從表2中可以看出，摻入石墨烯后的試樣，其磨損減量相較于空白對(duì)照組有所減少，在石墨烯含量為0.075%和0.15%時(shí)損失量最小。這是因?yàn)槭┚哂袧?rùn)滑作用，可以減少摩擦，在摩擦過(guò)程中，由于石墨烯的存在對(duì)試樣起到了明顯的減摩潤(rùn)滑的效果。

圖4為磨損減量隨石墨烯含量變化曲線。由圖4可知，試樣的磨損減量并不隨石墨烯含量的增加而線性較少，原因在于試樣的耐磨程度并不僅取決于石墨烯的含量，也受到了基體相Ti3AlC2的含量的影響。在石墨烯含量為0.075%和0.15%試樣中，均生成了含量較高的Ti3AlC2相，由于其本身具有自潤(rùn)滑性的特點(diǎn)和石墨烯的添加，使得這兩組試樣的耐磨程度高于其他試樣。

圖4 磨損減量隨石墨烯含量變化曲線

圖5（a）、5（b）分別是石墨烯含量為0和0.15%時(shí)共聚焦顯微鏡拍照后的微觀形貌。從圖中看出，（a）的磨損表面，在反復(fù)接觸應(yīng)力的作用下，發(fā)生了明顯的疲勞剝落；（b）主要的磨損機(jī)制為剝層磨損。綜合來(lái)看，添加石墨烯后的試樣比未添加的耐磨性好。

圖5 30 N載荷摩擦后試樣劃痕處微觀圖

3 結(jié)論

分析測(cè)試結(jié)果得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)XRD物相分析可知，通過(guò)熱壓燒結(jié)得到純度較高的Ti3AlC2。

（2）摻入石墨烯的試樣其最大磨損減量為0.0061 g少于不添加石墨烯的0.0093 g，耐磨性更為出色，其中添加石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的試樣耐磨程度最好。

（3）石墨烯具有良好的強(qiáng)化效果，特別是在提高材料的耐摩擦磨損性能方面表現(xiàn)顯著。