西安交通大学、洛阳轴承研究所有限公司Yanjing Yin等–石墨烯/β-Si3N4晶须增强Si3N4陶瓷复合材料的摩擦学性能

探索低摩擦系数陶瓷基自润滑材料已成为提高高端装备使用性能和寿命的热门方向之一。本文研究了多层石墨烯(MLG)/β- Si₃N₄晶须(β- Si₃N_4w)/ Si₃N₄陶瓷的摩擦学性能。讨论了载荷和线速度对干滑动COF的影响。根据Si₃N₄基陶瓷的磨损形貌和力学性能，深入分析了MLG和β- Si₃N_4w的减摩自润滑机理。提出了摩擦频率来分析磨损机理。结果表明，MLG和β- Si₃N_4w导致COF的突破性降低。在5 ~ 20 N的负荷下，COF达到了0.04 ~ 0.07的超低水平，比已有报道的研究进一步降低了89.86%。力学性能的全面提高和MLG润滑膜的存在是超低COF的主要原因。在50 ~ 200 mm/s速率下，MLG/β- Si₃N_4w / Si₃N₄陶瓷的COF提高到0.24 ~ 0.31，但仍比石墨烯/ Si₃N₄陶瓷低33.88 ~ 47.64%。COF的增加是由于摩擦频率升高引起的高磨损。沟槽磨损和粘着磨损是MLG/β- Si₃N_4w / Si₃N₄陶瓷的主要磨损形式。

图1. （a）Si₃N₄基陶瓷复合材料的样品。（b） 摩擦磨损试验示意图。

图2. (a)和(b)是烧结Si₃N₄基陶瓷复合材料的XRD图谱和拉曼光谱。

图3. 烧结Si₃N₄基陶瓷复合材料断裂形貌的SEM显微图。

图4. （a）不同荷载下试样的COFs。（b） 本工作与其他报告研究之间的COF比较。

图5. (a)设计试样的硬度和断裂韧性。(b) 20 N载荷作用下，Si₃N₄基陶瓷与轴承钢GCr15摩擦磨损轨迹的SEM显微图。(c) 20 N载荷下S9对轴承钢GCr15磨损轨迹的SEM显微图。(d) MLG诱导Si₃N₄基陶瓷复合材料低COF的机理。(e) MLG润滑膜的SEM显微照片。(f)磨损面C元素EDS谱图。

图6.不同线速度下试样的COFs:(a) 20 mm/s， (b) 50 mm/s， (e) 100 mm/s， (d) 150 mm/s， (e) 200 mm/s。(f)稳定阶段平均COFs和摩擦频率。

图7. 不同线速度下S9磨损面的SEM显微图:(a) 20 mm/s， (b) 50 mm/s， (c) 100 mm/s， (d) 150 mm/s， (e) 200 mm/s。(e) GCr15轴承钢球的磨损表面。。(f)磨损表面O、Fe元素的EDS谱图。

相关研究成果由西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室、洛阳轴承研究所有限公司Yanjing Yin等人于2023年发表在Ceramics International (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.09.083)上。原文：Tribological properties of graphene/β- Si₃N₄ whisker reinforced Si₃N₄ ceramic composites