氧化锆陶瓷纤维织物基高温自润滑材料的制备与磨损机理研究

The developments of aerospace, defense and other high-technical equipment fields propose higher and higher requirements to high-temperature wear resistance materials and high-temperature self-lubricating technology. But now the development of high-temperature self-lubricating materials encounter bottlenecks, and it is difficult to achieve a qualitative breakthrough. Consequently, our project will use ZrO2 ceramic fiber/fabric replace the ZrO2 ceramic powder as matrix and add lubricants and binder phase to prepare ZrO2 ceramic fiber-based high-temperature self-lubricating materials and ZrO2 ceramic fabric-based high-temperature self-lubricating materials. The tribological properties of ZrO2 ceramic fiber-based/fabric-based high-temperature self-lubricating materials can be improved by constantly adjusting the lubricant type and content, sintering technology and textile technology. The effect of temperature, load, sliding speed and atmosphere on tribological properties of ZrO2 ceramic fiber-based/fabric-based high-temperature self-lubricating materials will be studied, and the wear mechanisms will also be given. Besides, we will explore the chemical reaction of ZrO2 ceramic fiber-based/fabric-based high-temperature self-lubricating materials and its differences in air, vacuum and other atmosphere. Then, the reaction type and the method to promote (or inhibit) the friction chemical reaction can be given.

航空航天、国防及其他高端装备领域的发展对高温耐磨材料和高温自润滑技术提出越来越高的要求。但如今高温自润滑材料的发展遇到了瓶颈，难以再大幅改善摩擦系数和磨损率取得质的突破。因此，本项目将以ZrO2陶瓷纤维和织物取代ZrO2陶瓷粉体为基体，添加粘结相和固体润滑相，并不断调整润滑剂的种类和含量、烧结工艺和纺织工艺，制备新型ZrO2陶瓷纤维基高温自润滑材料和ZrO2陶瓷织物基高温自润滑材料，以有效改善ZrO2陶瓷基高温自润滑材料的摩擦学性能。研究温度、载荷、滑动速度及气氛对ZrO2陶瓷纤维基和ZrO2陶瓷织物基高温自润滑材料摩擦学性能的影响，给出相应的摩擦磨损机理。重点研究ZrO2陶瓷（纤维和织物）基高温自润滑材料在摩擦过程中的摩擦化学反应及其在空气、真空和其他气氛中的变化，给出反应式，提出促进（或抑制）摩擦化学反应的方法。

ZrO2 纤维复合材料主要用作航天飞机用绝热与结构增强材料，导弹、火箭发动机喷管喉部、内衬用高温稳定材料，原子用超高温隔热材料和宽温域范围使用的超强材料。鉴于ZrO2 纤维和织物重要的用途和广阔的应用前景，为充分发挥ZrO2 纤维（或织物）的优异性能，关于ZrO2 纤维（或织物）复合材料的研究引起了人们的重视。本项目首先制备并研究了氧化锆纤维-环氧树脂复合材料的摩擦学性能，研究表明氧化锆纤维相对于氧化锆粉体可改善复合材料的磨损率。然后又以30wt%氧化锆纤维和70 wt%环氧树脂为基体制备氧化锆纤维-环氧树脂-WS2复合材料、氧化锆纤维-环氧树脂-石墨复合材料和氧化锆纤维-环氧树脂-银复合材料等样品，并研究了其在不同载荷、转速、对偶材料、海水及酸碱中的摩擦学性能和磨损机理。探明了氧化锆纤维-环氧树脂复合材料的磨损机理，当润滑剂的含量不高或者硬度较环氧树脂高时复合材料的磨损机理主要是磨粒磨损，氧化锆纤维在没有断裂时会起到支撑作用减少磨损断裂后会作为硬质颗粒加剧磨损；当润滑剂的含量较高或者硬度较环氧树脂低时，润滑剂会在复合材料表面形成润滑膜来改善摩擦磨损；当润滑剂的含量太高时又会影响材料的致密性进而对材料的摩擦学性能产生影响。氧化锆纤维-环氧树脂复合材料的磨损机理的探明可为新型纤维织物复合材料的制备提供指导。