[发明专利]具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，具有金属陶瓷基体层和润滑层交替叠合而成的结构；金属陶瓷基体层的原料包括Al₂O₃65～72％、SiO₂ 12～15％、MgO微粉10～12％、B₂O₃ 2～4％和Fe粉3～6％，各原料合计100％；润滑层的原料包括hBN 92～98％和纳米碳2～8％；所述润滑层的厚度为0.025～0.05mm；金属陶瓷基体层与润滑层的厚度比为30～40：1。现有以Al₂O₃/nBN自润滑复合陶瓷基体的基础上，以微‑纳米复合粉体为原料，通过材料的仿生结构设计，制得具有强‑弱多层界面特征的层状复合陶瓷，在提高陶瓷良好力学性能的同时，实现了材料的结构/润滑功能一体化设计。

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合材料技术领域，特别是涉及一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

工程陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度、抗氧化等多种优异性能，是制造高温润滑耐磨元件的理想材料。其中，自润滑材料复合陶瓷具有良好的高温摩擦性能，是一种很有使用价值和前景的陶瓷润滑技术。自润滑复合陶瓷是将固态润滑剂如：石墨、MoS₂、六方氮化硼或Au、Ag等软金属引入陶瓷材料中制成陶瓷复合材料，由于加入的固态润滑组元易拖敷、摩擦系数低，而在摩擦表面形成连续的固态润滑层，从而赋予陶瓷复合材料以自润滑性。但柔软、层状结构各向异性的固润组元在摩擦基体中弥散将引起材料的机械性能降低，包括断裂韧性、表面硬度和强度。由于陶瓷材料的磨损性能与材料力学性能紧密相关，为了使材料获得更广泛的应用，自润滑陶瓷复合材料必须在强度、韧度和自润滑性能两个方面加以平衡。因此，为了克服陶瓷材料的这种本征脆性，提高韧性，需要发展新的陶瓷复合材料。

层状复合是模仿自然界的贝壳而来，有学者注意到，贝壳由多层厚约1μm的脆性文石晶体组成，贝壳中珍珠层由一层层超薄的碳酸钙组成，层与层之间由蛋白质软体连接，形成了超微层状结构，这种特殊的结构使其机械性能远远高于一般文石晶体。受其材料结构与性能关系的启发，人们认识到陶瓷材料的强韧化除了从组分设计上选择不同的材料体系外，更重要的一点是可以从材料的宏观结构角度来考虑。由此可见，仿贝壳珍珠岩结构的层状复合陶瓷具有高韧性和高可靠性。陶瓷材料的这种仿生结构设计，在很大程度上改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化提供了一种崭新的研究和设计思路。目前出现的Al₂O₃/nBN自润滑复合陶瓷较其它具有良好的摩擦磨损性能，材料的冲击韧性大幅度提高，但其抗弯强度下降20％，这与复合陶瓷的组成材料的抗弯强度、含量及界面粘接度有很大的关系。

发明内容

为此，本发明提供了一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，以克服现有技术中Al₂O₃/nBN自润滑复合陶瓷抗弯强度低的技术问题。

本发明的一个目的是提供一种具有仿生结构的自润滑金属陶瓷复合材料，所述复合材料具有金属陶瓷基体层和润滑层交替叠合而成的结构；所述金属陶瓷基体层的原料包括Al₂O₃ 65～72％、SiO₂ 12～15％、MgO微粉10～12％、B₂O₃ 2～4％和Fe粉3～6％，各原料合计100％；其中：Al₂O₃和SiO₂中至少有一个由微粉和纳米级粉末混合而成，且纳米级粉末的质量占比为2～4％，所述B₂O₃为纳米级粉末；所述金属陶瓷基体层的厚度为0.8～2.0mm；所述润滑层的原料包括hBN 92～98％和纳米碳2～8％；所述润滑层的厚度为0.025～0.05mm；所述金属陶瓷基体层与所述润滑层的厚度比为30～40：1。

优选地，所述B₂O₃的粒径为20～60nm。