一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料及其制备方法.pdf

一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料及其制备方法，它涉及一种纳米复合材料及其制备方法。本发明解决了现有氧化物陶瓷从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数大、磨损率高以及现有制作氧化物陶瓷所使用的固体润滑剂的使用条件受限的问题。纳米复合材料由纳米氧化物陶瓷和纳米碱土金属铬酸盐制成；方法：一、球磨制作混合粉体；二、将混合粉体进行冷压处理；三、烧结，随炉冷却至室温即得氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料。本发明氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数小、磨损率低，本发明所使用的纳米氧化物陶瓷没有使用条件受限的问题。

1.  一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料，其特征在于氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由50～90份的纳米氧化物陶瓷和10～50份的纳米碱土金属铬酸盐制成。

2.  根据权利要求1所述的一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料，其特征在于氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由60～80份的纳米氧化物陶瓷和20～40份的纳米碱土金属铬酸盐制成。

3.  根据权利要求1或2所述的一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料，其特征在于纳米氧化物陶瓷为部分稳定氧化锆陶瓷、氧化铝增强氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化锆增韧氧化铝陶瓷。

4.  根据权利要求3所述的一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料，其特征在于纳米碱土金属铬酸盐为铬酸钡、铬酸锶、铬酸镁或铬酸钙。

5.  一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法，其特征在于氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法按照以下步骤进行：一、按重量份数比将50～90份的纳米氧化物陶瓷和10～50份的纳米碱土金属铬酸盐装入耐磨球磨罐中，再向耐磨球磨罐中加入无水乙醇和ZrO₂磨球，以100～150r/min的速率球磨湿混10～15h得到混合粉体，其中，无水乙醇的加入量为氧化物陶瓷粉和碱土金属铬酸盐粉总质量的1～3倍，氧化物陶瓷粉和碱土金属铬酸盐粉的总质量与ZrO₂磨球的质量比为1∶3～4；二、将混合粉体在80～100℃下烘干后过30～60目筛，然后将过筛后的粉体装入内壁铺有石墨纸的石墨模具中，再对石墨模具进行冷压处理，施加在石墨模具上的压强为30～50MPa，保压时间为2～5min；三、将冷压处理后的石墨模具放入放电等离子烧结炉进行烧结，同时向石墨模具上施加30～50MPa的压强，升温速度50～100℃/min，烧结温度900～1300℃，保温时间5～10min，最后的随炉冷却至室温即得氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料。

6.  根据权利要求5所述的一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按照重量份数比称取60～80份的纳米氧化物陶瓷和20～40份的纳米碱土金属铬酸盐。

7.  根据权利要求5或6所述的一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中纳米氧化物陶瓷部分稳定氧化锆陶瓷、氧化铝增强氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化锆增韧氧化铝陶瓷。

8.  根据权利要求7所述的一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中纳米碱土金属铬酸盐为铬酸钡、铬酸锶、铬酸镁或铬酸钙。

9.  根据权利要求5、6或8所述的一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中以120～140r/min的速率球磨湿混11～14h。

10.  根据权利要求9所述的一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中石墨模具上施加的压强为40MPa，升温速度60℃/min，烧结温度1100℃，保温时间8min。

一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
氧化物陶瓷(部分稳定氧化锆及氧化铝增强氧化锆、氧化铝、氧化锆增韧氧化铝陶瓷等)是传统的结构陶瓷，具有高硬度、高强度、室温耐磨、高刚度、优异的化学稳定性等优点，其在工业领域的应用可以提高结构效率、降低结构材料的结构重量、提高结构材料的服役可靠性及延长结构材料的使用寿命，对发展极端工况条件下的耐磨材料具有极为重要的作用。现有氧化物陶瓷在室温下摩擦系数在0.4～0.6之间，磨损率为10^-5mm³/N·m数量级，而在800℃时，摩擦系数高达1.0～1.2，磨损率为10^-4-10^-3mm³/N·m数量级，现有氧化物陶瓷在高温下的摩擦系数和磨损率都很高。针对现有氧化物结构陶瓷的摩擦磨损性能差的问题，研究人员进行了广泛的研究，向陶瓷基体中加入固体润滑剂可以在一定条件下有效地改善氧化物陶瓷在宽温域范围的磨损性能。但是，大部分现有的固体润滑剂都有一定的使用条件限制，如石墨润滑剂易氧化，对气氛要求严格，氟化物以及钼酸盐在低温时无效，氧化铅只在中温域时有效，且对环保不利等等。为了满足材料在极端工况环境下的应用要求，迫切需要开发新型宽温域范围具有良好的润滑性能的陶瓷复合材料。
发明内容
本发明为了解决现有氧化物陶瓷从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数大、磨损率高以及现有制作氧化物陶瓷所使用的固体润滑剂的使用条件受限的问题，而提供了一种氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料及其制备方法。
本发明氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由50～90份的纳米氧化物陶瓷和10～50份的纳米碱土金属铬酸盐制成。
本发明氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法按照以下步骤进行：一、按重量份数比将50～90份的纳米氧化物陶瓷和10～50份的纳米碱土金属铬酸盐装入耐磨球磨罐中，再向耐磨球磨罐中加入无水乙醇和ZrO₂磨球，以100～150r/min的速率球磨湿混10～15h得到混合粉体，其中，无水乙醇的加入量为氧化物陶瓷粉和碱土金属铬酸盐粉总质量的1～3倍，氧化物陶瓷粉和碱土金属铬酸盐粉的总质量与ZrO₂磨球的质量比为1∶3～4；二、将混合粉体在80～100℃下烘干后过30～60目筛，然后将过筛后的粉体装入内壁铺有石墨纸的石墨模具中，再对石墨模具进行冷压处理，施加在石墨模具上的压强为30～50MPa，保压时间为2～5min；三、将冷压处理后的石墨模具放入放电等离子烧结炉进行烧结，同时向石墨模具上施加30～50MPa的压强，升温速度50～100℃/min，烧结温度900～1300℃，保温时间5～10min，最后的随炉冷却至室温即得氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料。
本发明方法中添加了纳米碱土金属铬酸盐后，纳米复合材料的磨损表面很平滑，生成了一层纳米润滑膜，有效地降低了摩擦系数和磨损率，本发明的纳米复合材料从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数均在0.3左右，室温以及800℃下磨损率为10^-6mm³/N·m数量级，本发明的纳米复合材料从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数小，磨损率低。本发明所使用的纳米碱土金属铬酸盐无毒，不易氧化，在各种温度下均有效，本发明所使用的纳米碱土金属铬酸盐不存在使用条件受限的问题。
附图说明
图1为具体实施方式二十制作得到的氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的X-射线衍射(XRD)谱图；图2为氧化铝增强氧化锆陶瓷(TZ3Y20A)与具体实施方式二十系数图制作得到的氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料在不同温度条件下的摩擦系数图；图3为具体实施方式二十制作得到的纳米复合材料的扫描电子显微镜的背散射电子形貌图；图4具体实施方式二十中为氧化铝增强氧化锆陶瓷(TZ3Y20A)经800℃高温磨损后的显微形貌图；图5是具体实施方式二十制作得到的纳米复合材料经800℃高温磨损后的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由50～90份的纳米氧化物陶瓷和10～50份的纳米碱土金属铬酸盐制成。
本实施方式中的纳米氧化物陶瓷和纳米碱土金属铬酸盐可从市场上购买得到。
本实施方式的纳米复合材料从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数均在0.3左右，室温以及800℃下磨损率为10^-6mm³/N·m数量级，本实施方式的纳米复合材料从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数小，磨损率低。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由60～80份的纳米氧化物陶瓷和20～40份的纳米碱土金属铬酸盐制成。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由65～75份的纳米氧化物陶瓷和25～35份的纳米碱土金属铬酸盐制成。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由70份的纳米氧化物陶瓷和30份的纳米碱土金属铬酸盐制成。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由65份的纳米氧化物陶瓷和35份的纳米碱土金属铬酸盐制成。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料按照重量份数比由75份的纳米氧化物陶瓷和25份的纳米碱土金属铬酸盐制成。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：纳米氧化物陶瓷为部分稳定氧化锆陶瓷、氧化铝增强氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化锆增韧氧化铝陶瓷。其他与具体实施方式一至六相同。
本实施方式中部分稳定氧化锆陶瓷为氧化钇部分稳定氧化锆或氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷。
本实施方式纳米氧化物陶瓷的大小为10～900nm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：纳米碱土金属铬酸盐为铬酸钡、铬酸锶、铬酸镁或铬酸钙。其他与具体实施方式一至七相同。
本实施方式纳米碱土金属铬酸盐的大小为10～900nm。
具体实施方式九：本实施方式氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法按照以下步骤进行：一、按重量份数比将50～90份的纳米氧化物陶瓷和10～50份的纳米碱土金属铬酸盐装入耐磨球磨罐中，再向耐磨球磨罐中加入无水乙醇和ZrO₂磨球，以100～150r/min的速率球磨湿混10～15h得到混合粉体，其中，无水乙醇的加入量为氧化物陶瓷粉和碱土金属铬酸盐粉总质量的1～3倍，氧化物陶瓷粉和碱土金属铬酸盐粉的总质量与ZrO₂磨球的质量比为1∶3～4；二、将混合粉体在80～100℃下烘干后过30～60目筛，然后将过筛后的粉体装入内壁铺有石墨纸的石墨模具中，再对石墨模具进行冷压处理，施加在石墨模具上的压强为30～50MPa，保压时间为2～5min；三、将冷压处理后的石墨模具放入放电等离子烧结炉进行烧结，同时向石墨模具上施加30～50MPa的压强，升温速度50～100℃/min，烧结温度900～1300℃，保温时间5～10min，最后的随炉冷却至室温即得氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料。
本实施方式步骤一中的纳米氧化物陶瓷和纳米碱土金属铬酸盐可从市场上购买得到。
本实施方式制作得到的纳米复合材料从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数均在0.3左右，室温以及800℃下磨损率为10^-6mm³/N·m数量级，本实施方式的纳米复合材料从室温至800℃的宽温域范围内摩擦系数小，磨损率低。本实施方式所使用的纳米碱土金属铬酸盐无毒，不易氧化，在各种温度下使用均能实现其有效的使用，本发明所使用的纳米碱土金属铬酸盐不存在使用条件受限的问题。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤一中按照重量份数比称取60～80份的纳米氧化物陶瓷和20～40份的纳米碱土金属铬酸盐。其他步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤一中按照重量份数比称取70份的纳米氧化物陶瓷和30份的纳米碱土金属铬酸盐。其他步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤一中按照重量份数比称取65份的纳米氧化物陶瓷和35份的纳米碱土金属铬酸盐。其他步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤一中按照重量份数比称取75份的纳米氧化物陶瓷和25份的纳米碱土金属铬酸盐。其他步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式九至十三不同的是：步骤一中纳米氧化物陶瓷部分稳定氧化锆陶瓷、氧化铝增强氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化锆增韧氧化铝陶瓷。其他步骤及参数与具体实施方式九至十三相同。
本实施方式中部分稳定氧化锆陶瓷为氧化钇部分稳定氧化锆或氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷。
本实施方式纳米氧化物陶瓷的大小为10～900nm。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式九至十四不同的是：步骤一中纳米碱土金属铬酸盐为铬酸钡、铬酸锶、铬酸镁或铬酸钙。其他步骤及参数与具体实施方式九至十四相同。
本实施方式纳米碱土金属铬酸盐的大小为10～900nm。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式九至十五不同的是：步骤一中以120～140r/min的速率球磨湿混11～14h。其他步骤及参数与具体实施方式九至十五相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式九至十六不同的是：步骤二中在80℃下烘干后过40目筛。其他步骤及参数与具体实施方式九至十六相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式九至十七不同的是：步骤二中施加在石墨模具上的压强为40MPa，保压时间为4min。其他步骤及参数与具体实施方式九至十七相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式九至十八不同的是：步骤三中石墨模具上施加的压强为40MPa，升温速度60℃/min，烧结温度1100℃，保温时间8min。其他步骤及参数与具体实施方式九至十八相同。
具体实施方式二十：本实施方式氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的制备方法按照以下步骤进行：一、按重量份数比将65份的纳米氧化物陶瓷和35份的纳米碱土金属铬酸盐装入耐磨球磨罐中，再向耐磨球磨罐中加入无水乙醇和ZrO₂磨球，以120r/min的速率球磨湿混13h得到混合粉体，其中，无水乙醇的加入量为氧化物陶瓷粉和碱土金属铬酸盐粉总质量的2倍，氧化物陶瓷粉和碱土金属铬酸盐粉的总质量与ZrO₂磨球的质量比为1∶3.5；二、将混合粉体在90℃下烘干后过40目筛，然后将过筛后的粉体装入内壁铺有石墨纸的石墨模具中，再对石墨模具进行冷压处理，施加在石墨模具上的压强为40MPa，保压时间为4min；三、将冷压处理后的石墨模具放入放电等离子烧结炉进行烧结，石墨模具上施加的压强为40MPa，升温速度70℃/min，烧结温度1100℃，保温时间7min，最后的随炉冷却至室温即得氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料。
本实施方式步骤一中纳米氧化物陶瓷为氧化铝增强氧化锆陶瓷(TZ3Y20A)，氧化铝增强氧化锆的大小为300nm。
本实施方式步骤一中纳米碱土金属铬酸盐为铬酸钡，铬酸钡的大小为80nm。
检测TZ3Y20A陶瓷和本实施方式制作得到的氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料在室温和800℃条件下的磨损率，检测结果显示TZ3Y20A陶瓷的磨损率在室温下为2.31×10^-6mm³/N·m、在800℃下为4.77×10^-4mm³/N·m，而本实施方式制作得到的纳米复合材料的磨损率在室温下为2.22×10^-6mm³/N·m、在800℃为6.75×10^-6mm³/N·m，由此可知本实施方式制作得到的纳米复合材料的磨损率低。
图1是本实施方式制作得到的氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的X-射线衍射(XRD)谱图，图中“◆”代表ZrO₂，“▲”表示Al₂O₃，“■”BaCrO₄，从图中可以看出烧结后所得复合材料的物相同初始粉体相同，没有发生相变或者化学反应；图2为TZ3Y20A陶瓷与本实施方式制作得到的氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料在不同温度条件下的摩擦系数，图中1表示TZ3Y20A陶瓷，2表示本实施方式制作得到的氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料的摩擦系数，从图中可见，同TZ3Y20A陶瓷相比，加入BaCrO₄后纳米复合材料的摩擦系数从室温至800℃都有显著的降低，本实施方式制作得到的氧化物陶瓷/碱土金属铬酸盐纳米复合材料从室温至800℃范围摩擦系数在0.3左右；图3是本实施方式制作得到的纳米复合材料的扫描电子显微镜(SEM)的背散射电子形貌图，从图中可出本实施方式制作得到的纳米复合材料中碱土金属铬酸盐分散好；图4是TZ3Y20A陶瓷经800℃高温磨损后的显微形貌图，可以看出TZ3Y20A陶瓷在高温下出现脆性断裂，发生了剧烈的磨损，导致其摩擦系数和磨损率很高；图5是本实施方式制作得到的纳米复合材料经800℃高温磨损后的扫描电镜图，从图中可以看出纳米复合材料在高温下没有出现脆性断裂，本实施方式得到的纳米复合材料的摩擦系数小，磨损率低，本实施方式添加固体润滑剂后，纳米复合材料的磨损表面很平滑，生成了一层纳米润滑膜，有效地降低了摩擦系数和磨损率。