氮化硅基复合陶瓷材料的海洋腐蚀/磨损行为研究

摘要

本课题来源于陕西省自然科学基金项目（2018JM5056）。论文面向海洋装备运动部件性能要求不断升级，针对Si3N4-hBN陶瓷复合材料与TC4钛合金（Ti6Al4V）滑动副在海水环境、盐水环境、海洋大气环境和去离子水大气环境下的摩擦学特性进行了研究，同时对纯Si3N4和Si3N4-hBN陶瓷复合材料在海水环境下的腐蚀行为进行初步探索，重点对海水环境和海洋大气环境下滑动副的摩擦磨损及润滑机理进行了深入的探讨，并且阐述了hBN含量对Si3N4-hBN陶瓷复合材料与TC4钛合金配副的摩擦学性能的影响，旨在探索海水环境以及海洋大气环境对Si3N4-hBN/TC4滑动副的摩擦磨损性能的影响。借助型号为MMW-1的立式万能摩擦磨损试验机开展摩擦磨损试验，利用扫描电子显微镜（SEM）观察磨损表面和腐蚀表面的微观形貌，利用能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）和拉曼光谱（Raman）等分析测试手段，分析磨损表面的物相组成。该论文主要完成以下研究工作： （1）本论文研究了海水环境和盐水环境对Si3N4-hBN/TC4滑动副的摩擦学性能的影响，探讨了hBN含量在两种不同介质环境下的减摩机制，并且建立了海水环境下Si3N4-hBN/TC4滑动副的润滑机理模型。研究表明，两种环境下，hBN的加入均显著地改善了氮化硅基陶瓷与钛合金配副的摩擦磨损性能。当hBN含量达到30wt.%时，海水环境下滑动副的摩擦因数由纯Si3N4/TC4配副的0.67降至Si3N4-30wt.%hBN/TC4配副的0.028，配副的钛合金盘试样的磨损率由10-4mm3/Nm数量级降至10-5mm3/Nm数量级；盐水环境下滑动副的摩擦因数由纯Si3N4/TC4配副的0.553降至Si3N4-30wt.%hBN/TC4配副的0.093，配副的钛合金盘试样的磨损率由5.11×10-4mm3/Nm降至1.27×10-4mm3/Nm。 两种环境下，当hBN含量达到30wt.%时，滑动副的磨损表面均发生了摩擦化学反应，生成了由SiO2、TiO2、H3BO3、和Al(OH)3组成的具有润滑作用的氧化物和氢氧化物，同时海水环境中摩擦表面还存在MgCO3和CaCO3润滑物质，并且海水中的Ca2+、Mg2+等离子有助于化学反应产物聚集形成润滑保护膜，该保护膜使滑动副的摩擦表面极其光滑，进而在海水的润滑作用下使滑动副进入流体润滑状态，同时根据公式推导出摩擦因数（μ）与滑动副之间膜的剪切应力（τ）成正比关系，而Al(OH)3胶体具有较小的剪切应力，从而使滑动副获得了较小的摩擦因数，这说明了海水环境对Si3N4-30wt.%hBN/TC4滑动副来说是一种很好的润滑介质。 （2）论文研究了海洋大气环境和去离子水大气环境对Si3N4-hBN/TC4滑动副的摩擦学性能的影响，探讨了hBN含量在两种不同介质环境下的减摩机制，并且建立了潮湿环境下Si3N4-hBN/TC4滑动副的润滑机理模型。研究表明，两种环境下，hBN的加入均显著地改善了滑动副的摩擦磨损性能。其中海洋大气环境下，当hBN含量达到20wt.%时，滑动副的摩擦因数由纯Si3N4/TC4配副的0.583降至Si3N4-20wt.%hBN/TC4配副的0.302，配副的钛合金盘试样的磨损率由2.78×10-4mm3/Nm降至1.46×10-4mm3/Nm；去离子水大气环境下，当hBN含量达到30wt.%时，滑动副的摩擦因数由纯Si3N4/TC4配副的0.613降至Si3N4-30wt.%hBN/TC4配副的0.337，配副的钛合金盘试样的磨损率由2.70×10-4mm3/Nm降至1.30×10-4mm3/Nm。 两种环境下，滑动副在摩擦过程中均生成了由SiO2、TiO2、H3BO3和Al(OH)3组成的具有润滑作用的氧化物和氢氧化物，同时海洋大气环境中摩擦表面还存在Mg(OH)2润滑物质，并且海洋大气中的Ca2+、Mg2+等离子有助于化学反应产物聚集形成固体润滑膜，该膜保护了滑动副的磨损表面并使磨损表面保持光滑状态，同时根据公式推导出摩擦因数（μ）与滑动副之间膜的剪切应力（τ）成正比关系，而Al(OH)3胶体具有较小的剪切应力，从而使滑动副获得了较小的摩擦因数。这说明了海洋大气环境对Si3N4-20wt.%hBN/TC4滑动副来说是一种很好的润滑介质。 （3）本论文还研究了海水环境对纯Si3N4及Si3N4-hBN复合陶瓷的腐蚀行为影响，重点探讨了腐蚀时间以及hBN的含量对试样腐蚀作用的影响，通过与金属耐腐蚀等级的比较以及对腐蚀产物的分析，得出如下结论：当hBN含量一定时，随着腐蚀时间的推移，试样的腐蚀速率呈现出下降趋势；当腐蚀时间一定时，随着hBN含量的增加，试样的腐蚀速率同样呈现出下降趋势，尤其是当腐蚀时间为12天时，腐蚀速率由纯Si3N4的0.0109h)g/(m2?降至Si3N4-30wt.%hBN的0.0037h)g/(m2?，极其接近金属的很耐腐蚀等级，表现出了较为优异的耐海水腐蚀性能。这是由于试样的腐蚀产物发生了氧化反应，生成的SiO2和H3BO3物质聚集在试样表面阻止试样被海水进一步侵蚀。 本论文研究表明了Si3N4-hBN复合陶瓷材料在海水环境和海洋大气环境下表现出了较好的摩擦学性能，同时Si3N4-hBN复合陶瓷在海水环境中表现出了较为优异的耐腐蚀性能。这不仅丰富了陶瓷材料在海洋环境中的摩擦学理论，还对海洋关键摩擦副的研究以及应用提供了理论支撑。

目录

1 绪论

1.1 腐蚀与磨损

1.2 海洋环境下的腐蚀与磨损现象

1.3 海洋装备常用材料的腐蚀/磨损研究

1.4 Si3N4及Si3N4基陶瓷复合材料的腐蚀/磨损研究

1.5 本课题研究的目的及意义

2 试验方法及试样制备

2.1 试验平台的搭建

2.2 试验环境的构建

2.3 试样的制备

2.4 磨损表面的分析测试方法

2.5 本章小结

3 海水环境和盐水环境下Si3N4-hBN/Ti6Al4V的腐蚀/磨损特性研究

3.1 海水环境下Si3N4-hBN/Ti6Al4V的腐蚀/磨损特性研究

3.2 盐水环境下Si3N4-hBN/TC4的腐蚀/磨损特性研究

3.3 本章小结

4 海洋大气环境和去离子水大气环境下Si3N4-hBN/Ti6Al4V的腐蚀/磨损特性研究

4.1 海洋大气环境下Si3N4-hBN/Ti6Al4V的腐蚀/磨损特性研究

4.2 去离子水大气环境下Si3N4-hBN/TC4的腐蚀/磨损特性研究

4.3 本章小结

5 Si3N4-hBN/TC4滑动副的自润滑机理分析

5.1 海水环境下Si3N4-hBN/TC4滑动副的自润滑机理

5.2 海洋大气环境下Si3N4-hBN/TC4滑动副的自润滑机理

6 海水环境对纯Si3N4及Si3N4-hBN复合陶瓷的腐蚀作用

6.1 腐蚀试验方法

6.2 腐蚀试验结果

6.3 腐蚀机理分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

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