“摩擦”是一種相當(dāng)常見(jiàn)的現(xiàn)象，時(shí)時(shí)刻刻伴隨著人類(lèi)的活動(dòng)，如走路需要摩擦、汽車(chē)的行駛需要摩擦、火車(chē)的奔跑也需要摩擦。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的物理現(xiàn)象看似對(duì)人類(lèi)很友善，但其實(shí)也經(jīng)常露出猙獰的一面。

　　比如說(shuō)在工業(yè)上，兩個(gè)物體之間的“摩擦”往往是有害的，會(huì)導(dǎo)致物體接觸表面的磨損，嚴(yán)重的磨損甚至?xí)沟谜９ぷ鞯倪\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)工業(yè)大敵，人們往往會(huì)使用具備優(yōu)良耐磨性能的先進(jìn)陶瓷材料作為普通金屬或塑料的代替，或在易損工件的表面覆蓋上耐磨陶瓷提高其耐久性能。

　　與普通金屬或塑料相比，耐磨陶瓷具有以下優(yōu)勢(shì)：硬度大、強(qiáng)度高、耐磨性能好，超出錳鋼，高鉻鋼100倍以上、耐高溫、耐酸堿腐蝕、重量輕，僅為鋼鐵的一半，可以大大降低設(shè)備的負(fù)荷。而在這其中，氧化鋁陶瓷因具有十分親民的價(jià)格，相當(dāng)適合工業(yè)應(yīng)用，已成為該領(lǐng)域最常使用的耐磨材料之一，在礦石破碎處理系統(tǒng)、原材料粉磨系統(tǒng)、高速切削等比較“狂野奔放”的場(chǎng)合隨處可見(jiàn)。

　　由于陶瓷材料摩擦磨損性能對(duì)其能否良好地服役至關(guān)重要，因此要想要氧化鋁陶瓷“駕馭”住摩擦，就必須要去認(rèn)識(shí)及研究它與摩擦之間的關(guān)系。

　　氧化鋁陶瓷與摩擦的關(guān)系

　　Evans曾對(duì)影響陶瓷材料磨損率的因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷材料的硬度和斷裂韌性是影響其磨損率的關(guān)鍵因素，且具有高硬度和斷裂韌性的陶瓷材料磨損率較低。針對(duì)提高陶瓷材料硬度和斷裂韌性的目標(biāo)，各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，具體可分為以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

　　1.陶瓷晶粒尺寸

　　氧化鋁陶瓷材料有單相陶瓷和復(fù)相陶瓷（即在基體中加入第二相）之分，在晶粒尺寸與陶瓷摩擦學(xué)性能相關(guān)性研究領(lǐng)域，研究者們主要考察了基體相（或第二相）的晶粒尺寸對(duì)陶瓷摩擦學(xué)性能的影響。

　　如Roy等研究了亞微米和微米級(jí)單相氧化鋁陶瓷在生物環(huán)境下的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)在牛血清蛋白環(huán)境中亞微米陶瓷的磨損率要遠(yuǎn)低于微米級(jí)陶瓷，且亞微米陶瓷的晶粒拔出和晶界微裂紋明顯少于粗晶氧化鋁陶瓷。Sedlacek等研究了不同氧化鋁基體晶粒尺寸對(duì)磨損性能的影響，其中基體氧化鋁晶粒尺寸在0.8~4μm之間變化，而第二相SiC為納米尺寸。研究表明氧化鋁基體處于亞微米尺寸時(shí)耐磨性能好于晶粒尺寸為微米尺度的納米復(fù)合陶瓷；基體晶粒處于亞微米尺度時(shí)，耐磨性與斷裂韌性之間沒(méi)有明顯關(guān)系，而基體處于微米尺度的氧化鋁復(fù)相陶瓷的磨損率隨著硬度增加而下降。

　　顯然，通過(guò)上述例子可看出，通過(guò)細(xì)化晶粒可有效幫助提高材料結(jié)構(gòu)均勻性，包括提高材料致密度，降低材料缺陷等。

　　2.第二相材料

　　在氧化鋁復(fù)相陶瓷摩擦學(xué)性能研究領(lǐng)域，組分復(fù)合化，即通過(guò)添加各種第二相、顆粒（或晶須）形成復(fù)合材料也是提升氧化鋁陶瓷摩擦學(xué)（或切削）性能的主要途徑。根據(jù)不同的影響機(jī)制，可分為第二相自潤(rùn)滑機(jī)制、第二相晶界增強(qiáng)作用、第二相摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)制等幾種類(lèi)型。

　　①第二相自潤(rùn)滑機(jī)制

　　在Al2O3陶瓷基體中引入石墨、CaF2、PbWO4、MoS2、BN、軟金屬等第二相固體潤(rùn)滑劑能有效地降低材料的摩擦因數(shù)，從而提高材料的摩擦學(xué)性能。鄧建新等在Al2O3/TiC復(fù)合陶瓷基體中引入了10%CaF2固體潤(rùn)滑劑，通過(guò)切削和摩擦實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)：CaF2在摩擦表面被擠壓涂抹成自潤(rùn)滑膜，自潤(rùn)滑膜能有效地阻止材料與摩擦副之間的黏著作用，降低摩擦因數(shù)，起到自潤(rùn)滑作用。

　　②第二相晶界增強(qiáng)作用

　　在氧化鋁陶瓷基體中引入第二相（主要是顆粒及晶須），利用彌散顆粒與基體材料間熱膨脹系數(shù)的差異，在材料制備冷卻過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，達(dá)到晶界增強(qiáng)的作用，當(dāng)裂紋沿晶界擴(kuò)展時(shí)，不僅要克服基體材料固有的晶界能，還要克服殘余壓應(yīng)力所帶來(lái)的附加能量，因而增加了裂紋擴(kuò)展抗力；另一方面，由于第二相顆粒的熱膨脹系數(shù)小于基體的熱膨脹系數(shù)，材料冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積效應(yīng)，在第二相顆粒周?chē)鷮a(chǎn)生微裂紋，誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)，使裂紋的擴(kuò)展消耗更多的能量；此外，一般第二相顆粒都近似呈圓球形，使得裂紋尖端鈍化，從而減小應(yīng)力集中而阻止裂紋擴(kuò)展，從而提高材料的摩擦學(xué)性能。

　　③第二相摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)制

　　第二相摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)制是指摻在Al2O3基體中的第二相在與對(duì)磨副材料摩擦?xí)r與空氣中的氣體（主要是氧氣）或與對(duì)磨副材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生潤(rùn)滑膜，降低材料摩擦因數(shù)，從而提高材料的摩擦學(xué)性能。

　　鄧建新等在Al2O3陶瓷基體中引入TiB2顆粒制備Al2O3/TiB2復(fù)合陶瓷刀具，刀具在與45#淬硬鋼進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):當(dāng)切削速度大于120m/min，即切削溫度大于800℃時(shí)，Al2O3/TiB2復(fù)合陶瓷刀具中的TiB2與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成TiO2和B2O3，由于TiO2的彈性模量和硬度都比基體材料低得多，使得抗剪切強(qiáng)度減小，從而材料的摩擦因數(shù)下降，減輕了刀具的黏著磨損，提高刀具的耐磨性。

　　3.摩擦學(xué)機(jī)制

　　不同應(yīng)用情況下，氧化鋁陶瓷表現(xiàn)出的摩擦學(xué)機(jī)制其實(shí)也不同，因此應(yīng)結(jié)合不同的強(qiáng)化方式對(duì)癥下藥。目前針對(duì)這一方面，已有研究者們進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了一些規(guī)律性認(rèn)識(shí)：

　　鄧建新等研究了Al2O3/TiB2、Al2O3/TiC/CaF2兩種高溫自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的摩擦學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：低速干切削時(shí)，Al2O3/TiB2陶瓷刀具的磨損機(jī)制表現(xiàn)為黏著磨損和磨料磨損；而在高速干切削時(shí)，刀具的磨損機(jī)制表現(xiàn)為氧化磨損，刀具表面經(jīng)由摩擦化學(xué)反應(yīng)生成的反應(yīng)膜起到固體潤(rùn)滑作用，使刀具的耐磨性能提高，隨著TiB2含量和切削速度的增加，反應(yīng)膜的減摩抗磨作用增強(qiáng)。

　　姚淑卿等研究了添加不同第二相的3種Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦學(xué)性能及機(jī)制，研究表明：Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦學(xué)特性與添加劑的種類(lèi)有關(guān)，其抗磨性能由大到小順序依次為Al2O3/SiCw，Al2O3/Ti(C,N)，Al2O3/TiC；且材料的摩擦學(xué)性能與其硬度(H)、彈性模量(E)和斷裂韌性(KIC)有關(guān)，磨損率W隨E/H增加而增大，隨KIC增加而減小；Al2O3/TiC陶瓷刀具材料的磨損機(jī)制以黏著磨損為主，Al2O3/Ti(C,N)和Al2O3/SiCw陶瓷刀具材料的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。

　　總結(jié)

　　材料的摩擦磨損性能是一個(gè)綜合性能的表現(xiàn)，受眾多因素影響。但各方面研究都表明，細(xì)化晶粒和組分復(fù)合化確實(shí)能夠有效提高氧化鋁陶瓷材料的強(qiáng)度和斷裂韌性，進(jìn)而提升其摩擦學(xué)性能。若該方面的研究可繼續(xù)精進(jìn)，必能有效推動(dòng)氧化鋁陶瓷材料在各個(gè)領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用。

　　資料來(lái)源：

　　Al2O3陶瓷材料的摩擦學(xué)研究進(jìn)展，黃偉九，吳桂森。

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