一种氧化铝陶瓷自润滑复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化铝陶瓷自润滑复合材料及其制备方法。材料由氧化铝、氧化锆和复合润滑剂制成，表层为氧化铝层，间隔层为氧化铝-氧化锆层，材料以铺层-冷压-热压工艺制备。材料兼具优异的力学和摩擦学性能，适应温度范围宽(室温～1000℃)，可用作极端苛刻环境(高温、腐蚀、特殊气氛等)下的润滑与密封材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高性能陶瓷复合材料及制备方法，具体为一种热压烧结制备层状-梯度复合结构高性能氧化铝陶瓷自润滑复合材料及其制备方法。
技术介绍
陶瓷自润滑复合材料是随着航空航天等现代军工技术的发展，为适应苛刻工况条件下的润滑要求而迅速发展起来的新型润滑材料。这类润滑材料在耐高低温、环境适应性等方面有着显著的优势。而且，从未来的发展来看，高温结构陶瓷是唯一可在1000°c以上长时间工作，同时具有高强度和耐腐蚀性能的低密度润滑材料。但在研究和实际应用中，陶瓷自润滑复合材料表现出一系列不足，主要体现在固体润滑剂在高温烧结过程中的氧化、分解和挥发及其对基体连续性的破坏会显著降低复合材料的强度、韧性和耐磨性，从而降低了材料本身的可靠性和稳定性，限制了其实际应用。因此，设计制备兼具优异力学和摩擦学性能的陶瓷自润滑复合材料，对推动其在我国航空、航天等领域的应用具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有层状-梯度复合结构，具有高强度、高韧性，且在室温到1000°c温度范围内具有自润滑性能、制备工艺简单、烧结温度低的氧化铝陶瓷自润滑复合材料及其制备方法。本专利技术的技术方案如下 :一种氧化铝陶瓷自润滑复合材料，其特征在于材料由氧化铝、氧化锆和复合润滑剂制成，表层为氧化铝层，间隔层为氧化铝-氧化锆层；所述的氧化铝层由氧化铝(40 IOOwt % )、烧结助剂(O IOwt % ) [ (O 5wt% )氧化铜+ (0 5wt% ) 二氧化钛]、复合润滑剂(O 50wt% )制成；氧化招-氧化错层由氧化招-氧化错(40 IOOwt % )、烧结助剂(O IOwt % ) [ (O 5wt% )氧化铜+(0 5wt% ) 二氧化钛]、复合润滑剂(O 50wt% )制成。在其叠层中，由里向外，复合润滑剂成份从无到有，由少增多，形成梯度，其占各层质量百分比为0% 50%。所述的复合润滑剂由石墨(O IOwt % )、硫酸钡(O IOwt % )和氟化钙](O 80wt% )组成。所述的氧化铝-氧化锆层中，氧化锆(含2 3mol%氧化钇)的含量为8 12wt % ο所述的氧化铝层和氧化铝-氧化锆层的层厚比为1:1。一种氧化铝陶瓷自润滑复合材料的制备方法，其特征在于以商品化氧化铝、氧化锆、氧化铜、氧化钛、氧化钇、石墨、硫酸钡和氟化钙粉体为原料，经物理机械方法按比例球磨得到混合好的氧化铝和氧化铝-氧化锆初始粉体；在钢模具中，将混合好的氧化铝和氧化铝-氧化锆初始粉体交替铺层，随后进行冷压成型，成型压力为20 200MPa ;将冷压成型的层状坯体放入通有保护气氛(高纯氮气、氩气或氦气)的热压炉内烧结，升温速率为5 20°C /分钟，烧结温度为1200 1350°C，烧结压力为20 30MPa，烧结时间为30 60分钟。本专利技术的设计原理如下:材料由异质的硬质层Al2O3和Al2O3-ZrO2 (3Y)相间排列而成，形成强界面结合的仿生层状结构，在硬质层Al2O3和Al2O3-ZrO2 (3Y)层中均匀分布有一定数量的固体润滑组元，且润滑组元的含量从表层向里形成梯度变化的结构。这种结构由于中间力学承载区为层状结构，层状结构中残余应力与ZrO2相变增韧协同作用，使材料具有较高强度和韧性；另外，利用均匀分布的固体润滑组元在摩擦表面的拖敷形成润滑膜而改善摩擦界面的接触状态，满足在一定温度范围内连续润滑或在特定温度下润滑，实现了陶瓷材料的结构/润滑功能一体化设计。本专利技术的优点是:1、兼具优异的力学性能(高韧性、高弯曲强度)和摩擦学性能(在室温到1000°C温度范围内具备自润滑性能)。本专利技术的氧化铝自润滑复合材料，具有层状-梯度复合结构特征。这种结构使材料兼具优异的力学和摩擦学性能，在室温到1000°c的温度范围内，材料的摩擦系数远低于单层氧化铝陶瓷 ，呈现出优异的自润滑性能；材料的韧性、弯曲强度和单层氧化铝陶瓷相当，远大于单层氧化铝陶瓷自润滑复合材料。以Al2O3层和Al2O3-1Owt%ZrO2 (3Y)层的层厚比为I:1、层厚为82 μ m为例:Al2O3Al2O3-ZrO2 (3Y)自润滑复合材料的弯曲强度可达350MPa，和单层氧化铝陶瓷相当，是单层氧化铝陶瓷自润滑复合材料的5倍多；其摩擦系数远低于单层氧化铝陶瓷，在室温到1000°C的温度范围内与氧化锆陶瓷对磨时，材料的摩擦系数均低于0.5，是单层氧化铝陶瓷的一半左右。同时，复合材料的弯曲强度、摩擦学性能和梯度指数、层厚及复合润滑剂含量有着明显的关系，表明这种复合材料的性能可以通过调整层厚、梯度指数及润滑剂含量来控制。2、制备工艺简单。本专利技术采用简单的铺层和热压工艺最终制备出高性能Al2O3陶瓷自润滑层状复合材料，工艺简单、可操作性强、重复性好。同时，为了得到不同体积的复合材料，只需通过调整模具尺寸和复合材料的层数即可，为满足不同工况条件提供了方便。此夕卜，引入复合烧结助剂，将材料的烧结温度控制在1300°C左右，减少了固体润滑剂的氧化、分解和挥发，从而保证了润滑剂作用的有效发挥，优化了材料的性能。具体实施例方式实施例1将粒径范围为100 200目的氧化招50克、氧化错5克、氧化钛2克和氧化铜0.5克在酒精介质中球磨24小时得到氧化铝-氧化锆混合粉体；将100 200目的氧化铝50克、氧化钛2克和氧化铜0.5克在酒精介质中球磨24小时得到氧化铝混合粉体；将100 200目的氟化钙70克、石墨10克、硫酸钡10克在酒精介质中球磨12小时得到复合固体润滑剂；将上述球磨好的复合固体润滑剂按质量分数为5、15、25、35、45%加入到氧化铝和氧化铝-氧化锆混合粉体中，得到不同润滑剂含量的氧化铝/润滑剂和氧化铝-氧化锆/润滑剂复合粉体；在钢模具中将制备好的氧化铝和氧化铝-氧化锆及氧化铝/润滑剂和氧化铝-氧化锆/润滑剂复合粉体交替铺层，层厚均为0.5mm,由表向里，复合润滑剂含量递减，铺层完毕在IOOMPa压力下冷压预成型。最后，放入热压炉中烧结，升温速率为10°C /分钟，烧结温度为1300°C，烧结压力为20MPa，烧结时间为50分钟，整个烧结过程都是在氩气保护下进行。最终获得的烧结样品经分析可知，层状-梯度结构明显，每层的平均厚度约为85 μ m0实施例2将粒径范围为100 200目的氧化招50克、氧化错5克、氧化钛2克和氧化铜0.5克在酒精介质中球磨24小时得到氧化铝-氧化锆混合粉体；将100 200目的氧化铝50克、氧化钛2克和氧化铜0.5克在酒精介质中球磨24小时得到氧化铝混合粉体；将100 200目的氟化钙70克、石墨10克、硫酸钡10克在酒精介质中球磨12小时得到复合固体润滑剂；将上述球磨好的复合固体润滑剂按质量分数为5、15、25、35、45%加入到氧化铝和氧化铝-氧化锆混合粉体中，得到不同润滑剂含量的氧化铝/润滑剂和氧化铝-氧化锆/润滑剂复合粉体；在钢模具中将制备好的氧化铝和氧化铝-氧化锆及氧化铝/润滑剂和氧化铝-氧化锆/润滑剂复合·粉体交替铺层，层厚均为2mm，由表向里，复合润滑剂含量递减，铺层完毕在120MPa压力下冷压预成型。最后，放入热压炉中烧结，升温速率为10°C /分钟，烧结温度为1350°C，烧结压力为20MPa，烧结时间为50分钟，整个烧结过程都本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化铝陶瓷自润滑复合材料，其特征在于材料由氧化铝、氧化锆和复合润滑剂制成，表层为氧化铝层，间隔层为氧化铝?氧化锆层；所述的氧化铝层由氧化铝(40～100wt％)、烧结助剂(0～10wt％)[(0～5wt％)氧化铜+(0～5wt％)二氧化钛]、复合润滑剂(0～50wt％)制成；氧化铝?氧化锆层由氧化铝?氧化锆(40～100wt％)、烧结助剂(0～10wt％)[(0～5wt％)氧化铜+(0～5wt％)二氧化钛]、复合润滑剂(0～50wt％)制成。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝陶瓷自润滑复合材料，其特征在于材料由氧化铝、氧化锆和复合润滑剂制成，表层为氧化铝层，间隔层为氧化铝-氧化锆层；所述的氧化铝层由氧化铝(40 IOOwt % )、烧结助剂(O IOwt % ) [ (O 5wt% )氧化铜+ (0 5wt% ) 二氧化钛]、复合润滑剂(O 50wt% )制成；氧化招-氧化错层由氧化招-氧化错(40 IOOwt % )、烧结助剂(O IOwt % ) [ (O 5wt% )氧化铜+(0 5wt% ) 二氧化钛]、复合润滑剂(O 50wt% )制成。2.如权利要求1所述的材料，其特征在于材料叠层中，由里向外，复合润滑剂成份从无到有，由少增多，形成梯度，其占各层质量百分比为0% 50%。3.如权利要求1所述的材料，其特征在于复合润滑剂由石墨(O IOwt%)、硫酸钡(O IOwt % )和氟化I丐]...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永胜，齐亚娥，胡丽天，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：