ZrO2-Al2O3/BaCrO4复合材料的制备与摩擦学性能研究

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本文采用直接沉淀法或反胶束法制备出不同晶体形貌及粒径的BaCrO4粉体,采用固相反应法或液相共沉淀法制备出纯相的Ba Cr2O4粉体。采用热压烧结法制备得到不同成分的ZrO2-Al2O3/BaCrO4复合材料。采用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、激光拉曼谱仪和摩擦磨损试验机研究了ZrO2-Al2O3/BaCrO4复合材料的组织结构和在不同温度下的摩擦磨损性能,并揭示其高温自润滑机理。利用Material Studio软件的Castep模块,采用第一性原理方法计算出Ba CrO4、Ba Cr2O4和不同结构BaCr O3的体模量和压缩系数。BaCrO4和Ba Cr2O4的体模量分别为28.1 GPa和71.6 GPa。以EDTA作为添加剂,采用直接沉淀法合成制备BaCrO4粉体的晶体形貌呈球形,粒径约为100nm。调节离子浓度不能改变BaCrO4粉体的晶体形貌,但是BaCrO4粉体的粒径随离子浓度的增大而减小。在16h的陈化时间以内,粉体颗粒的形貌及粒径变化很小。调整阴阳离子的比例不影响粉体的形貌和粒径。XRD分析发现,经烘干的前驱粉体在未煅烧时已经形成了结晶的Ba CrO4物相,因此煅烧过程加剧了BaCrO4前驱粉体的生长和烧结。采用反胶束法制备Ba CrO4粉体的晶体形貌为单分散的薄片状。采用固相反应法或液相共沉淀法制备出纯相的BaCr2O4粉体。由液相共沉淀法制备得到的BaCr2O4粉体粒径约为100nm,呈球形,均一性好。采用热压烧结法制备出不同成分的ZrO2-Al2O3/BaCr O4复合材料,探究了成分、磨损试验温度和载荷对ZrO2-Al2O3/BaCrO4复合材料摩擦学性能的影响。发现只有在合适的温度区间和润滑相区间内时,ZrO2-Al2O3/BaCrO4复合材料的高温润滑特性才能达到最好。当BaCrO4含量为5wt.%时,复合材料在400oC时具有最好的摩擦磨损性能,摩擦系数和磨损率分别为0.32和4.25×10-5mm3/(Nm)。ZrO2-Al2O3/BaCrO4复合材料的室温磨损机制为剥层磨损,而在400oC时磨损表面形成了釉化层和细晶层,具有一定的塑性变形能力,降低了磨损程度。磨损表面的釉化层及磨粒的主要成分是Cr2O3。ZrO2-Al2O3/BaCrO4复合材料的高温自润滑依靠釉化层和细晶层的状态共同起作用。
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