氧化鋁陶瓷“耐磨”的秘密

1.陶瓷晶粒尺寸

氧化鋁陶瓷材料有單相陶瓷和複相陶瓷（即在基體中加入第二相）之分，在晶粒尺寸與陶瓷（cí）摩擦（cā）學性能相關（guān）性研究（jiū）領域，研究者們主要考察了（le）基體相（或第二相）的（de）晶粒尺寸對（duì）陶瓷（cí）摩擦學性能的影響。

氧化鋁陶瓷的SEM圖

如Roy等研究了亞微米和微（wēi）米級單相氧化（huà）鋁陶瓷在（zài）生物環境下的摩擦磨損（sǔn）性能，發（fā）現在牛血清蛋白環境中亞微米（mǐ）陶瓷的磨損率要遠低於（yú）微米級陶瓷，且（qiě）亞微米陶瓷的晶粒拔出和晶界微裂紋（wén）明顯少於粗晶氧化鋁陶瓷。Sedlacek等研究了不同氧化鋁基（jī）體晶粒尺寸對磨損性能（néng）的影響，其中基體氧化（huà）鋁晶粒（lì）尺寸在0.8~4μm之間變化，而第二相SiC為納（nà）米尺寸。研究表明氧化鋁基體處於亞（yà）微（wēi）米尺寸時耐磨性能好於晶粒尺寸為微米（mǐ）尺度的納米複合陶瓷；基體晶粒處於亞（yà）微米尺度時，耐磨性與斷裂韌性之間沒有明顯關係，而基（jī）體處於微米尺（chǐ）度的氧化鋁複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（tí）高材料致密度，降低材料缺陷等。

2.第（dì）二相材料

在氧化（huà）鋁複相（xiàng）陶瓷摩擦學性能研究領域，組分複合化，即通過添加各（gè）種第二相、顆粒（或晶須）形（xíng）成複合材料（liào）也是提升氧化（huà）鋁陶瓷摩擦學（或切（qiē）削）性能（néng）的主要途徑。根據不同的影響機製，可分（fèn）為第二相自潤滑機製（zhì）、第二相晶界增強作用、第二相摩擦化（huà）學反應機製等幾種類型（xíng）。

①第（dì）二相自潤滑機製

在Al2O3陶（táo）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（yǒu）效地降低材料的摩擦因數，從而（ér）提高材料的摩擦學性能。鄧建新等在Al2O3/TiC複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在摩擦表麵被（bèi）擠壓塗抹成自潤滑膜，自潤（rùn）滑膜能有效地阻（zǔ）止材料與摩擦副之間（jiān）的黏著作（zuò）用，降低摩擦因數，起到自潤滑作用。

②第二相晶界增強（qiáng）作用

在氧（yǎng）化鋁陶瓷基（jī）體中引入第二相（主要是顆粒及晶須），利用彌散顆粒（lì）與基（jī）體材料間熱膨脹係數的差異，在材料製備（bèi）冷卻過程中產生殘餘應力，達到晶界增強的作用，當裂紋沿晶界擴（kuò）展時，不僅（jǐn）要克服基體材料（liào）固有的晶（jīng）界能，還要克服殘餘壓應力所帶來的附（fù）加能量，因而增加了裂紋擴展抗力；另一方（fāng）麵，由於第二相顆粒的（de）熱膨脹係數小於基體的熱膨脹係數，材料冷卻過程中會（huì）產（chǎn）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（wén）的擴展消耗（hào）更多的能量；此外，一般第二相顆粒都近似呈圓球形，使得裂（liè）紋（wén）尖端鈍化，從而減小應力集中而阻止裂紋擴展，從而提高（gāo）材料的摩擦學性（xìng）能。

③第二相摩擦（cā）化學反應（yīng）機製

第二相（xiàng）摩擦化學反應機製是指摻在（zài）Al2O3基體中的（de）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（huà）學反應，產生潤滑膜，降低材料摩擦因數，從而提高材（cái）料的摩擦學性能。

鄧建新等在Al2O3陶瓷基體中引入TiB2顆粒製備Al2O3/TiB2複合陶瓷刀具，刀具在與（yǔ）45#淬（cuì）硬鋼（gāng）進（jìn）行切削試驗時發現:當切削速度大於120m/min，即切削溫（wēn）度大於800℃時，Al2O3/TiB2複合陶瓷（cí）刀具中的TiB2與氧氣發生化學反應，生成TiO2和B2O3，由於TiO2的彈性模量和硬度都比基體材（cái）料低得多，使得抗剪切強度（dù）減小，從而材料的摩擦因數下降（jiàng），減輕（qīng）了刀具的黏著磨損，提高刀具的耐磨（mó）性。

3.摩擦學機製

不（bú）同應用情況下，氧化鋁陶瓷表現出的摩擦學機製其實也不同，因此（cǐ）應結（jié）合不同的強化方式對症下藥。目前（qián）針對這一方麵，已有（yǒu）研究者們進行了廣（guǎng）泛的研（yán）究，並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製。研究發現：低速幹切削（xuē）時，Al2O3/TiB2陶瓷刀具的磨損機製表現為黏著磨損和磨料磨損（sǔn）；而在高速幹切削時，刀具的磨損機製表現為氧化磨損，刀具表麵經由摩擦（cā）化學反應生成的反應膜起到（dào）固體潤滑作用，使刀具（jù）的耐磨性能提高（gāo），隨著TiB2含量（liàng）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（yán）究了添加不同（tóng）第二相的3種（zhǒng）Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦學（xué）性能及機製，研究表明：Al2O3基（jī）陶瓷刀具材（cái）料的摩擦（cā）學特性與添加劑的種類有（yǒu）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（mó）擦（cā）學性能與其硬度(H)、彈性模量(E)和斷裂韌性(KIC)有關，磨損率（lǜ）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製以黏著磨損為主，Al2O3/Ti(C,N)和Al2O3/SiCw陶瓷刀具材料的磨損機（jī）製（zhì）以（yǐ）磨粒磨（mó）損為主。

總結

材料（liào）的摩擦磨損（sǔn）性能是一個綜合性能的表（biǎo）現，受眾多因素影響。但各方麵研究都表明，細化晶粒和組分複合化（huà）確實能夠有效提高氧化鋁陶瓷材料的（de）強度和斷裂韌性，進而提升其摩擦學（xué）性能。若該方麵（miàn）的研究可（kě）繼續精進，必能有效（xiào）推動氧化（huà）鋁陶瓷材料（liào）在各個領域中的（de）進一步應用。

“摩擦”是一種相當常見的現象（xiàng），時時（shí）刻刻伴隨著人類的活動（dòng），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（zhè）種相對運動造（zào）成的物理現象看似（sì）對人類很友善，但其實也經常露出（chū）猙（zhēng）獰的（de）一麵。

比如說在工業上，兩個物體之間的“摩擦”往（wǎng）往（wǎng）是有害的，會導（dǎo）致物體接觸表麵的磨損，嚴重的磨損（sǔn）甚至會使得正常工作的運動機構失效。為了應對這個工業（yè）大敵，人們往往會使用具備優良耐磨性能的先進（jìn）陶瓷材料作為普通（tōng）金屬或（huò）塑料的（de）代替，或在易損工件的表麵覆蓋上耐磨陶瓷提高其耐（nài）久性能。

與普通金屬或塑料相比，耐磨陶瓷具有以下優（yōu）勢：硬度大、強度高、耐磨性能（néng）好（hǎo），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（dī）設備的負荷。而（ér）在這其中，氧（yǎng）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（kuàng）石破碎處理係統、原材料粉磨係統、高速切削等比較“狂野奔放”的場合隨處可見。