【陶瓷摩擦学】
陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，故其在汽车工业、化学工业、高温加工技术和航空航天等许多领域得到了越来越广泛的应用。陶瓷摩擦学的研究和应用已经成为当前国际摩擦学研究的前沿课题之一。对陶瓷的摩擦、磨损和断裂及其磨损机理进行了不少研究，但与金属相比，人们对陶瓷摩擦学行为的认识还不很充分。下面从干摩擦和润滑摩擦两个方面综述了近年来陶瓷摩擦和磨损研究的进展。
陶瓷在干摩擦下的摩擦和磨损1．氮化硅。Si3N4在干摩擦条件下的摩擦磨损性能已经有了很多报道。由于试验装置及试验条件的不同。试验数据呈现出很大的分散性。例如，Si3N4自身对摩或其与钢对摩时的摩擦系数变化范围都在0．1～1．0之间。H．Ishigaki等(1985)发现Si3N4的磨损随着滑动速度的变化而变化，其磨损率在1×10－4～6×10－14m3／(N·m)之间。M．Akazawa等(1986)观察到Si3N4在纯滚动下的稳态磨损系数为10－8。而在滚滑状态下的磨损系数却高达10－3。反应键合Si3N4在温度低于600℃下的摩擦系数保持在0．3左右，在真空及温度高于600℃时则上升为0．6～0．8，而烧结Si3N4在这两种条件下的摩擦系数分别为0．2～0．4和0．7～0．8(M．G．Gee等，1989)。A．Skopp等(1990)发现，Si3N4不同的相组成对其摩擦性能没有影响。J．F．Braza(1989)指出，Si3N4的摩擦系数取决于摩擦副的接触形式，而与其所含添加剂的种类有关，研究表明，Si3N4的磨损性能及磨损机理与其微观结构和试验条件等有密切关系。Buaza等研究了3种组成的Si3N4与球墨铸铁对摩的磨损机理，发现在滚动接触下，Si3N4颗粒挤出产生的磨损比亚微剥离大；在Si3N4中掺入WC颗粒可使滑动接触下的磨损一半。O．O．Ajayii等(1989)观察到Si3N4的塑性变形和晶界失效的连续阶段，增加负荷可导致裂纹产生。他们还考察了转移形成对Si3N4摩擦磨损的影响，指出转移膜的生成降低了磨损速率，但有可能引起高摩擦。他们认为，在陶瓷磨擦副中传统磨损模型之所以无效，其原因就在于这些模型只包含宏观力学性能和操作参数，而缺少材料的微观结构参数(如晶粒尺寸和强度等)及表面化学等因素。K．Kato(1989)曾用FE-SEM原位摩擦系统观察了热压Si3N4与半球金刚石滑动接触中的显微磨损机理，发现在0．2N和0．5N负荷下，磨损机理为犁沟→粉末→犁沟；当负荷为0．1N时，只看到稳定犁沟出现。他们根据所观察到的磨损行为，提出了一个用以描述磨损严重程度的新参数SC(
，其中：P0为最大赫兹接触压力，dmax为裂纹分布中的最大裂纹长度，KIC为断裂韧性。Y．Kimura等(1989)提出了Si3N4面接触的损伤机理：表层出现裂纹，由磨屑转移导致点缺陷；磨屑受挤压时从表面转移出去形成沟槽；沟槽扩展导致类似于金属磨痕二维微观图像；薄片状屑从凸处被转移。上述过程反复进行而产生严重磨损。需要指出，摩擦化学反应是Si3N4主要的磨损机理之一。Si3N4在高温下的磨损主要是起因于氧化反应，但其在室温下也可能发生氧化反应。L．D．Wedeven等(1988)发现，Si3N4表层在滚动接触下会出现张应力裂纹，但这并不是导致磨损的原因，其磨损应归因于SiO2微细颗粒的形成与转移。2．碳化硅。很多文献报道了单晶SiC与金属的对摩情况，其摩擦学特性学与金属的d键特征相关联，摩擦系数在0．4～0．6之间。多晶SiC自身对摩时的摩擦系数在0．2～0．6，而SiC与ZrO2对摩时的则为0．25～0．50。SiC的微观结构，以及试验条件对其摩擦磨损的影响很大。D．Miyoshi等(1979，1984)考察了单晶SiC的变形和断裂对其摩擦性能的影响，发现SiC与金刚石对摩时，摩擦系数随负荷的变化十分明显：SiC表层在较低负荷下发生弹性变形，而当负荷增大时则出现塑性变形，并伴随有少量的裂纹产生，摩擦系数增大；负荷进一步增加后，将在表层产生裂纹和塑性变形，摩擦系数增大4倍以上。Ajayi等(1991)考察了微观结构对SiC磨损行为的影响，发现具有较弱晶界的SiC的磨损比具有较强晶界的α-Sic的大，原因在于前者容易引起晶粒挤出(Pluck-out)。另外，他们还发现如果在晶界附近存在一层较软的第2组，则可使其耐磨性提高。温度对SiC摩擦性能的影响很大，低于800℃时的摩擦系数较高，表面出现石墨和碳化物型碳；高于800℃时，由于石墨含量迅速增加，碳化物型碳和硅迅速减少，摩擦系数较低。H．Usami等(1990)发现，摩擦表面温度对SiC磨损性能有明显的影响。A．Blomberg，等(1990)考察了SiC在室温下的滑动磨损机理，发现其磨损行为主要为塑性变形、微断裂及粘着磨损。但是，SiC容易在摩擦条件下氧化生成Si-O化合物，尤其在高温下，其磨损机理主要由摩擦氧化反应所控制。3．氧化铝。Al2O3的摩擦磨损性能强烈依赖于试验条件。M．Woydt等(1989)曾经在不同的温度下观察了Al2O3自身对摩时的摩擦和磨损。结果发现，其在室温低速下的摩擦系数为0．4～0．6，磨损率约为10－8mm3／(N·m)，滑动速度增加，磨损率增大2个数量级。在643K和1073K温度下，即使在低速下的磨损率也高约10－5～10－4mm3／(N·m)，摩擦系数为0．5～0．9。Yust等在0．3m／s和9N条件下发现多晶Al2O3的磨损率约为10－5mm3／(N．m)，磨损机理为断裂和磨粒磨损两种形式。Al2O3的微观结构和组成对其摩擦磨损的影响很大。X．Y．Li等(1990)曾经考察了6种Al2O3基韧性陶瓷的摩擦和磨损，发现摩擦系数与材料的微观结构及机械性能无关，但是磨损却取决于这些因素。在缓和磨损的情况下，疲劳磨损是主要机理；当接触面有很多硬颗粒或与硬涂层对摩时，微切削和微断裂是主要机理，试验中未发现塑料性变形。K．Kato(1989)曾分析了Al2O3与半球金刚石滑动接触下的显微磨损机理，指出在0．5N和1．0N负荷下，磨损形式为薄片→粉末→犁沟。4．氧化锆。ZrO2在低载低速下具有低的摩擦系数和极小的磨损，但其在高载和高温下的磨损严重。G．W．Stachowiak等(1991)证实温度对Mg-PSZ和Y-TZP的摩擦性能的影响很大，摩擦系数随温度的升高而增大，其在400℃以上时为0．3～0．7。Arayi等(1987)观察到Y-TZP的磨损表面有大量塑性变形和疲劳失效。G．W．Stachowiak等(1989)认为塑性变形和剥离过程是主要磨损机理。V．Auonov(1987)用X射线衍射分析证实，Mg-PSZ的耐磨性之所以随温度升高而增加3个数量级，应归因于滑动表面发生了热诱导相转变。D．Klaffke等(1989)在MgO-ZrO2的滑动和微动试验中得出摩擦系数为0．5～1．0，在高磨损区有塑性变形和相转变，在低磨损区只看到一些刮伤。M．Woydt等(1989)也发现MgO-ZrO2的磨损受摩擦诱导相的影响。由此可见，ZrO2微结构中的相组成及相转变是影响其磨损的重要因素之一。陶瓷在润滑条件下的摩擦和磨损1．湿度和水的影响。不同的材料类型、试验及试验方法都对陶瓷摩擦磨损的影响很大，如(湿度)的作用使摩擦磨损出现很大的差异。对于非氧化物陶瓷(Si3N4和SiC)来说，水和湿度都能有效地降低其摩擦和磨损。研究表明，Si基陶瓷具有良好的水基润滑效果应归因于它与水分子通过摩擦化学反应生成的比较容易剪切的反应膜，主要反应方程如下：Si3N4+6H2O→3SiO2+4NH3SiC+O2+H2O→SiO2+CO+H2SiO2+2H2O→Si(OH)4需要指出，上述反应历程还与负荷、滑动速度及表面粗糙度等参数密切相关。对于氧化陶瓷(Al2O3和ZrO2)来说，水既有可能增大其摩擦和磨损，又有可能降低其摩擦和磨损，这主要取决于试验条件的苛刻程度。H．Kim等(1990)在对Al2O3于空气中和水中的摩擦磨损行为进行研究时，发现有3种不同的磨损形式：高负荷下为断裂磨损；中等负荷短程的磨损体积可表示为V=2．5×10－7LS0．3(L表示负荷，S表示滑动距离)，这种情况下水能够降低磨损；中等负荷长程的磨损体积为V=5．6×10－17L5．5S，在这种情况下水能够增大磨损。H．K．Lancaster(1990)发现，不同粗糙度的Al2O3在水润滑下有两种相反的磨损行为，并且指出接触应力增大会使裂纹增多。研究表明，水既可以降低氧化物陶瓷的磨损，又能增大氧化物陶瓷的摩擦磨损。对于前者，应当归因于摩擦化学机理，例如Al2O3在摩擦过程中与水反应生成Al的氢氧化物而具有润滑作用；对于后者，则应归因于应力腐蚀断裂机理，水分子很容易通过氢键作用吸附于表面促进裂纹生成与扩展。综合以上所述可见，水和湿度对陶瓷摩擦学性能的影响至少有3个方面：在摩擦表面形成吸附层；通过吸附改变了材料的机械性能，如显微硬度和断裂韧性等；形成摩擦化学反应产物。2．润滑油及其添加剂的影响。已有的研究结果表明，分别在陶瓷／陶瓷和陶瓷／金属两种摩擦副的摩擦界面引入润滑油都可以明显地降低摩擦和磨损。Si3N4／Si3N4滑动摩擦副在矿物油或含酯润滑油条件下的摩擦系数为0．13～0．15，其在干摩擦下的摩擦系数高达0．8；SiC／SiC在同样条件下的摩擦系数分别为0．14～0．18和0．53。常用添加剂是基于金属系统发展起来的，但对它们在陶瓷摩擦系统中的作用效果及作用机理却研究得还少。R．H．J．Hannink等(1984)报道，Al2O3／Al2O3和ZrO2／ZrO2这两种摩擦副在含硬脂酸的油润滑条件下之摩擦系数分别为0．1和0．3～0．6，这都明显地比干摩擦时的低，但对于ZrO2／ZrO2的磨损率却有增大的趋势。B．Prakash等(1990)考察了热压Si3N4与钢球的微动磨损，发现在干摩擦时的摩擦系数为0．45，当加入SAE40润滑油以后摩擦系数便降为0．155，而加入含极压剂的SAE40油之后的则进一步降为0．12。P．Studt(1987)考察了二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)、脂肪酸和几种极压添加剂对α-A12O3和SiC摩擦性能的影响，发现由于润滑剂在SiC上没有形成摩擦诱导吸附层而无润滑效果，而α-Al2O3可与脂肪酸或ZDDP形成吸附层而得到润滑，这种差别被认为是由于Al2O3具有离子点阵，而SiC为金刚石点阵的缘故。J．T．Habeeb(1987)认为，ZDDP对Si3N4和SiC都有好的抗磨性能，但对其作用机理却未予探讨。王应龙等分析了陶瓷涂层在450℃与润滑油添加剂元素Ca、S、P的摩擦化学作用，指出Cr2O3和A12O3涂层都能与添加剂元素发生摩擦化学反应而形成具有减摩抗磨作用的表面膜。综上所述，人们对陶瓷的摩擦、磨损和润滑进行了很多研究，积累了不少的摩擦性能基础数据(尤其是干摩擦情况下的)，初步认识到影响陶瓷摩擦性能的因素有如材料的微观结构和制造工艺，以及试验条件与方法(诸如试验装置、摩擦副的接触形式、负荷、速度、时间、温度等)和润滑环境等，并且提出了陶瓷材料的转移主要涉及塑性形变、脆性断裂和摩擦化学机理。尽管在干摩擦条件下陶瓷摩擦学的研究还有大量的问题需要解决，然而近期内的研究重点应当是陶瓷的润滑。这是因为建立有效的润滑系统将是陶瓷作为摩擦构件成功地应用于先进技术(如陶瓷绝热发动机的研制)的关键。但是，直到目前却还缺乏为使陶瓷对偶获得最佳减摩抗磨效果而选择润滑剂(添加剂)的科学依据和实用指南。这里仅提出陶瓷润滑所涉及的几方面重要课题：(1)鉴于陶瓷在水基润滑下的摩擦磨损都很高(尤其是在边界润滑下)，有必要开发研究新型的水基润滑剂；(2)尽管陶瓷具有化学惰性，然而还是应当加强对其在腐蚀性介质(如酸、碱、盐)中摩擦磨损行为的研究；(3)系统考察不同温度下各种极压抗磨添加剂和复合添加剂的作用效果，并要对添加剂与陶瓷表面的相互作用机理及其分解机理等进行研究。这些问题的解决将为完善陶瓷的摩擦学设计、筛选、研制和发展适用于陶瓷系统的添加剂提供理论依据。(中国科学院兰州化学物理研究所魏建军、薛群基撰)