Al2O3氧化鋁陶瓷“耐磨”的秘密

　　“摩擦”是一種相當常見的現象，時時刻刻伴隨著人類的活動，如走路需要摩擦、汽車的行駛需要摩擦、火車的奔跑也需要摩擦。這種相對運動造成的物理現象看似對人類很友善，但其實也經常露出猙獰的一面。

　　比如說在工業上，兩個物體之間的“摩擦”往往是有害的，會導致物體接觸表面的磨損，嚴重的磨損甚至會使得正常工作的運動機構失效。為了應對這個工業大敵，人們往往會使用具備優良耐磨性能的先進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勢：硬度大、強度高、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，可以大大降低設備的負荷。而在這其中，氧化鋁陶瓷因具有十分親民的價格，相當適合工業應用，已成為該領域最常使用的耐磨材料之一，在礦石破碎處理系統、原材料粉磨系統、高速切削等比較“狂野奔放”的場合隨處可見。

　　由于陶瓷材料摩擦磨損性能對其能否良好地服役至關重要，因此要想要氧化鋁陶瓷“駕馭”住摩擦，就必須要去認識及研究它與摩擦之間的關系。

　　氧化鋁陶瓷與摩擦的關系

　　Evans曾對影響陶瓷材料磨損率的因素進行系統研究，發現陶瓷材料的硬度和斷裂韌性是影響其磨損率的關鍵因素，且具有高硬度和斷裂韌性的陶瓷材料磨損率較低。針對提高陶瓷材料硬度和斷裂韌性的目標，各國學者開展了大量的研究工作，具體可分為以下幾個方面進行分析：

　　1.陶瓷晶粒尺寸

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

　　如Roy等研究了亞微米和微米級單相氧化鋁陶瓷在生物環境下的摩擦磨損性能，發現在牛血清蛋白環境中亞微米陶瓷的磨損率要遠低于微米級陶瓷，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耐磨性能好于晶粒尺寸為微米尺度的納米復合陶瓷；基體晶粒處于亞微米尺度時，耐磨性與斷裂韌性之間沒有明顯關系，而基體處于微米尺度的氧化鋁復相陶瓷的磨損率隨著硬度增加而下降。

　　顯然，通過上述例子可看出，通過細化晶粒可有效幫助提高材料結構均勻性，包括提高材料致密度，降低材料缺陷等。

　　2.第二相材料

　　在氧化鋁復相陶瓷摩擦學性能研究領域，組分復合化，即通過添加各種第二相、顆粒（或晶須）形成復合材料也是提升氧化鋁陶瓷摩擦學（或切削）性能的主要途徑。根據不同的影響機制，可分為第二相自潤滑機制、第二相晶界增強作用、第二相摩擦化學反應機制等幾種類型。

　　①第二相自潤滑機制

　　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滑劑能有效地降低材料的摩擦因數，從而提高材料的摩擦學性能。鄧建新等在Al2O3/TiC復合陶瓷基體中引入了10%CaF2固體潤滑劑，通過切削和摩擦實驗都發現：CaF2在摩擦表面被擠壓涂抹成自潤滑膜，自潤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，起到自潤滑作用。

　　②第二相晶界增強作用

　　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的差異，在材料制備冷卻過程中產生殘余應力，達到晶界增強的作用，當裂紋沿晶界擴展時，不僅要克服基體材料固有的晶界能，還要克服殘余壓應力所帶來的附加能量，因而增加了裂紋擴展抗力；另一方面，由于第二相顆粒的熱膨脹系數小于基體的熱膨脹系數，材料冷卻過程中會產生體積效應，在第二相顆粒周圍將產生微裂紋，誘導裂紋偏轉，使裂紋的擴展消耗更多的能量；此外，一般第二相顆粒都近似呈圓球形，使得裂紋尖端鈍化，從而減小應力集中而阻止裂紋擴展，從而提高材料的摩擦學性能。

　　③第二相摩擦化學反應機制

　　第二相摩擦化學反應機制是指摻在Al2O3基體中的第二相在與對磨副材料摩擦時與空氣中的氣體（主要是氧氣）或與對磨副材料發生化學反應，產生潤滑膜，降低材料摩擦因數，從而提高材料的摩擦學性能。

　　鄧建新等在Al2O3陶瓷基體中引入TiB2顆粒制備Al2O3/TiB2復合陶瓷刀具，刀具在與45#淬硬鋼進行切削試驗時發現:當切削速度大于120m/min，即切削溫度大于800℃時，Al2O3/TiB2復合陶瓷刀具中的TiB2與氧氣發生化學反應，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，使得抗剪切強度減小，從而材料的摩擦因數下降，減輕了刀具的黏著磨損，提高刀具的耐磨性。

　　3.摩擦學機制

　　不同應用情況下，氧化鋁陶瓷表現出的摩擦學機制其實也不同，因此應結合不同的強化方式對癥下藥。目前針對這一方面，已有研究者們進行了廣泛的研究，并取得了一些規律性認識：

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

　　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性能及機制，研究表明：Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦學特性與添加劑的種類有關，其抗磨性能由大到小順序依次為Al2O3/SiCw，Al2O3/Ti(C,N)，Al2O3/TiC；且材料的摩擦學性能與其硬度(H)、彈性模量(E)和斷裂韌性(KIC)有關，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制以磨粒磨損為主。

　　總結

　　材料的摩擦磨損性能是一個綜合性能的表現，受眾多因素影響。但各方面研究都表明，細化晶粒和組分復合化確實能夠有效提高氧化鋁陶瓷材料的強度和斷裂韌性，進而提升其摩擦學性能。若該方面的研究可繼續精進，必能有效推動氧化鋁陶瓷材料在各個領域中的進一步應用。

　　資料來源：

　　Al2O3陶瓷材料的摩擦學研究進展，黃偉九，吳桂森。

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