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三元MAX相层状陶瓷材料高温摩擦学性能研究进展

         
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摘要

随着现代工业的发展,传统润滑油脂难以满足高温工况下零部件的润滑需求,三元MAX相层状陶瓷材料作为一种具有自润滑性能的新型材料,在高温耐磨自润滑领域得到了国内外学者的广泛关注。MAX相材料自润滑原理为:在摩擦力、热作用力下,M位和A位元素扩散至材料的表面并与环境中的氧气结合,持续生成稳定的氧化物润滑膜,该润滑膜能有效地降低材料的摩擦系数和磨损率。目前,通过试验合成的MAX相已多达80余种,其中研究最为广泛的三种材料体系为钛硅碳及其复合材料、钛铝碳及其复合材料和铬铝碳及其复合材料。本文主要介绍了MAX相材料及其复合材料的力学和摩擦学性能,通过分析可发现MAX相陶瓷复合材料的组成、工况条件及制备工艺技术对材料的摩擦学性能有重要影响。MAX相复合材料成分之间需要良好的润湿性,以便于形成致密均匀的复合材料,如钛硅碳与镍的润湿性不佳,但与铜的润湿性较好。MAX相自润滑材料在低于400℃的温度及轻载条件下难以形成稳定的氧化物润滑膜;同时较低温度的制备技术能有效地防止MAX相材料在制备过程中热分解,更有利于材料表面润滑膜的形成。值得注意的是,钛铝碳材料在室温环境下能向其表面释放碳元素并石墨化,其室温至400℃的摩擦学性能优于其他MAX相材料。通过对不同A位元素的MAX相材料分析对比发现,Al元素在材料中的扩散速度高于Si、Ge等元素,故与含硅MAX相复合材料相比,含铝MAX相材料氧化膜形成速度更快且抗氧化性更优,同时原位生成的氧化物能修复材料中微纳米级的裂纹。本文还介绍了一些在核工业、储能材料、超导材料等特殊领域具有应用潜力的新型MAX相材料,最后分析总结了MAX相材料本征特征及制备技术对其大范围工程应用的一些限制,并展望了其在宽温域自润滑材料及复杂工程零部件上的应用前景和研究方向,以期为MAX相材料在高温耐磨自润滑领域的工程应用提供参考。

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