陶瓷摩擦材料摩擦性能影响因素探讨

陶瓷摩擦材料摩擦性能影响因素探讨

摘要：本文探讨了外部因素和纤维对结构陶瓷摩擦磨损的影响，旨在促进在特定工况下正确使用相应的陶瓷材料作为摩擦学部件。

关键词：陶瓷摩擦材料摩擦性能

陶瓷是一种无机非金属材料，陶瓷材料一般具有较高的摩擦系数。陶瓷及其复合材料所具有的高熔点、高硬度、良好的化学稳定性、高温机械性能等特点，使其在众多领域中得到了实际应用，作为高温耐磨结构件具有比金属基材料更加广阔的应用前景。其中陶瓷纤维更是以其良好的抗老化性能、强度和在各种工作温度下保持稳定的摩擦能力而引起摩擦材料行业的广泛注意。将陶瓷材料用于制造阻摩器件，可利用其强度高、高温性能好、耐磨损等优良性能。另外，陶瓷材料的密度较低，如果将陶瓷材料制造的制动器在高速列车上成功应用，可使每个转向架上制动盘的总重量由1560kg下降到750kg。

1外部因素对工程陶瓷摩擦学特性的影响

外部因素是指一个完整的摩擦学系统中除了摩擦材料自身特性以外的因素，主要包括法向载荷、滑动速度、滑行距离、滑行时间、界面介质、环境气氛、温度、对摩材料、摩擦方式等。

1.1法向载荷的影响

研究者们普遍发现摩擦因数、磨损量随载荷增加而增加，但变化规律不是简单的线性递增关系，而是在某个载荷下摩擦因数有一明显跃变，磨损率也呈量级增加，国外的研究者们将之称作磨损突变(Wear Transition)。磨损率的突变对应着磨损机制的变化，即由塑性变形、犁耕、微切削和微断裂磨损转变为断裂磨损。研究表明在干摩擦条件下Y-TZP陶瓷材料在法向载荷大于142N时，轻微磨损突变为严重磨损，磨损机制由塑性变形转变为脆性断裂。同时，滑行速度对磨损行为有较大影响，在高速(≥1.26m/s)条件下发生了磨损突变。磨损由塑性变形转为断裂发生。在石蜡油润滑条件下A1203陶瓷在50N(10min)、ZTA复合陶瓷在320N(150min)时，磨损率发生突变。Kong等采用环一块式摩擦副，研究了自相配莫来石陶瓷在不同的介质和载荷下的摩擦磨损特性，实验结果表明：莫来石陶瓷以水为介质时在20N、以机油为介质时在1000N附近存在磨损突变。磨损突变前主要的磨损机理为塑性变形和犁耕：磨损突变后断裂磨损成为主要的磨损机理。机油为介质时，磨损率与载荷基本呈线性关系。

1.2滑动速度的影响

有关滑动速度对陶瓷摩擦磨损的影响，已经有不少学者作了这方面的研究。Esposito等研究表明在低滑行速度时氧化铝含量在79.0％-95.3％范围内的氧化铝陶瓷的磨损率随着氧化铝含量的降低而升高，但在高滑行速度时，此影响非常小。

磨损率随滑行速度的增加也存在磨损突变的现象。但这种突变与载荷所致磨损突变有着本质的区别，后者是载荷所致应力超过某一临界值导致陶瓷表面产生裂纹进而发生断裂引起的，前者是滑行速度过快导致摩擦表面温度过高所致。当速度达到某一临界值时，会使陶瓷表面产生剧烈的摩擦，因陶瓷的导热性能较差，造成试件表面温度过高，而导致磨损突变现象。

1.3滑行距离的影响

陶瓷材料的磨损率随滑动距离的变化一般为线性的。不同的材料和不同的操作参数，这种线性关系的斜率一般不同，在相同的操作参数下，氧化锆陶瓷与氧化铝陶瓷的磨损率随滑行距离变化的斜率相差较大。有的研究发现在某一滑动距离后磨损率会突然大幅增大，认为是摩擦过程中缺陷的积累而导致裂纹的生成，产生断裂磨损的结果。如Farhat等研究表明纳米多晶氧化铝陶瓷材料的磨损体积随晶粒尺寸的增大和滑行距离的延长而增加，不同晶粒尺寸的陶瓷材料都在滑行20m后发生了磨损突变，

1.4界面介质

界面介质主要包括有无润滑介质，润滑介质包括无反应润滑介质和有反应润滑介质两个方面。一般而言，干摩擦比有润滑摩擦有更高的摩擦因数和较高的磨损率。无反应润滑介质是一些特殊的润滑油，能明显降低系统的摩擦因数和磨损率。有反应润滑介质是指与对磨材料发生化学反应的润滑介质，研究较多的是水。由于ZrO2陶瓷在许多应用场合都不可避免要与水或水溶液接触，研究其在水中的摩擦磨损特性是十分重要的。

2纤维增强陶瓷摩擦材料的性能

陶瓷是一种无机非金属材料，陶瓷材料一般具有较高的摩擦系数。陶瓷及其复合材料所具有的高熔点、高硬度、良好的化学稳定性、高温机械性能等特点，使其在众多领域中得到了实际应用，作为高温耐磨结构件具有比金属基材料更加广阔的应用前景。其中陶瓷纤维更是以其良好的抗老化性能、强度和在各种工作温度下保持稳定的摩擦能力而引起摩擦材料行业的广泛注意。将陶瓷材料用于制造阻摩器件，可利用其强度高、高温性能好、耐磨损等优良性能。另外，陶瓷材料的密度较低，如果将陶瓷材料制造的制动器在高速列车上成功应用，可使每个转向架上制动盘的总重量由1560kg下降到750kg。

陶瓷材料早在上世纪60年代开始开发，但是作为结构材料存在容易脆裂的严重缺点，因而作为结构功能材料的用途有限。纤维增强陶瓷是陶瓷基复合材料中最有发展前景的。陶瓷基体经纤维或晶须增强后，不仅强度提高，而且韧度增加，韧性大大上升。如短纤维增强氧化铝和氮化硅的弯曲强度和断裂韧性比来增强的成倍提高。用长纤维增强陶瓷可大大提高其韧性。扩大其作为耐高温结构材料的用途。陶瓷复合材料作为耐高温(1200-1600％)的结构材料有巨大的潜在应用，其相对密度低(仅为钛合金的1／2，镍基超合金的1／31，除了航空航天和军事工业中的耐高温用途外，还可能在陆地运输、能源和环保等领域获得广泛应

用。

3总结

往往受到多种因素的同时或交替作用，而各种因素之间又可能是相互转化和相互制约的，这就更增加了研究工作的难度。因此，只有系统地研究不同的工况对陶瓷材料摩擦磨损性能的影响。深入地研究陶瓷材料的微观结构对其摩擦磨损性能的影响，才能正确和经济地选择与设计可在某一相对固定的摩擦磨损环境下使用的陶瓷材料。