低摩擦碳化硅复合陶瓷的制备及机理

摘要

碳化硅(SiC)陶瓷具有硬度高、强度高、抗氧化、耐腐蚀等优越特性，已成为第四代机械密封材料，但是由于其摩擦系数较高，致使机械密封摩擦特别是硬对硬摩擦时磨损严重，影响其使用寿命。通过在密封件表面形成微小的开口气孔或向密封材料内添加自润滑添加剂，可以降低其摩擦系数，改善其摩擦性能。本文在回顾了碳化硅陶瓷及低摩擦碳化硅陶瓷研究现状的基础上，以碳化硅(SiC)为基体，分别添加有机高分子聚合物聚氧化乙烯(PEO)、无机化合物氯化钙(CaCl2)、高润滑性氟化石墨作为造孔剂和润滑添加剂，研究了含造孔剂或添加剂SiC陶瓷的成型及烧结行为，分析了其烧结性能、力学性能、显微结构和摩擦性能，探讨了PEO、CaCl2、氟化石墨的低摩擦机理，制备出PEO整体造孔、CaCl2连续造孔、含氟化石墨的低摩擦SiC陶瓷。主要研究内容及结论如下：
　　 添加PEO作为造孔剂，利用PEO溶液粘度高，且有絮凝作用，能和SiC形成结构疏松的交联疏松团，PEO经烧结挥发后便能在陶瓷中形成气孔，达到整体造孔的目的。掺入15wt％分子量为十万的PEO后，SiC陶瓷的力学性能虽然有所降低，其抗弯强度从375.55MPa降到了206.99MPa，但仍能满足机械密封件行业标准的强度要求(≥150MPa，JB/T6374-2006)。然而，陶瓷的摩擦系数从0.403降到了0.126，摩擦性能大为改善。随着保温时间的延长，SiC晶粒会逐渐长大，陶瓷的力学性能有所降低，气孔会缩小甚至闭合，陶瓷的摩擦系数增大。
　　 添加CaCl2作为造孔剂，在SiC陶瓷表面和基体中会形成微小的CaCl2颗粒，利用CaCl2水溶性特征而在后续机械抛光、水洗处理中溶出，能在陶瓷表面形成微小的开口气孔，达到连续造孔的目的。掺入20wt％含量的CaCl2后，SiC陶瓷的抗弯强度从382.70MPa降到了184.09MPa，摩擦系数从0.391降到了0.141，在其强度既达到了碳化硅密封件的行业强度要求的同时，又有效改善了其摩擦性能。升高烧结温度，SiC晶粒长大，液相物质挥发，会降低陶瓷的力学性能和摩擦性能。
　　 加入质地松软、自润滑性能优良的氟化石墨后，在SiC晶粒间隙中会钉扎有片层结构的石墨，当陶瓷发生硬对硬摩擦时，石墨会脱落并粘附于摩擦面，起到降低摩擦端面摩擦系数、改善其润滑性能的效果。掺入7wt％的氟化石墨后，陶瓷试样的抗弯强度为357.07MPa，其摩擦系数从0.383降到了0.234。