【原】西安交通大學(xué)、洛陽(yáng)軸承研究所有限公司Yanjing Yin等--石墨烯/β-Si3N4晶須增強(qiáng)Si3N4陶瓷復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能

探索低摩擦系數(shù)陶瓷基自潤(rùn)滑材料已成為提高高端裝備使用性能和壽命的熱門方向之一。本文研究了多層石墨烯(MLG)/β- Si₃N₄晶須(β- Si₃N_4w)/ Si₃N₄陶瓷的摩擦學(xué)性能。討論了載荷和線速度對(duì)干滑動(dòng)COF的影響。根據(jù)Si₃N₄基陶瓷的磨損形貌和力學(xué)性能，深入分析了MLG和β- Si₃N_4w的減摩自潤(rùn)滑機(jī)理。提出了摩擦頻率來(lái)分析磨損機(jī)理。結(jié)果表明，MLG和β- Si₃N_4w導(dǎo)致COF的突破性降低。在5 ~ 20 N的負(fù)荷下，COF達(dá)到了0.04 ~ 0.07的超低水平，比已有報(bào)道的研究進(jìn)一步降低了89.86%。力學(xué)性能的全面提高和MLG潤(rùn)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的增加是由于摩擦頻率升高引起的高磨損。溝槽磨損和粘著磨損是MLG/β- Si₃N_4w / Si₃N₄陶瓷的主要磨損形式。

    圖1. （a）Si₃N₄基陶瓷復(fù)合材料的樣品。（b） 摩擦磨損試驗(yàn)示意圖。    

   圖2. (a)和(b)是燒結(jié)Si₃N₄基陶瓷復(fù)合材料的XRD圖譜和拉曼光譜。

   圖3. 燒結(jié)Si₃N₄基陶瓷復(fù)合材料斷裂形貌的SEM顯微圖。    

   圖4. （a）不同荷載下試樣的COFs。（b） 本工作與其他報(bào)告研究之間的COF比較。

    圖5. (a)設(shè)計(jì)試樣的硬度和斷裂韌性。(b) 20 N載荷作用下，Si₃N₄基陶瓷與軸承鋼GCr15摩擦磨損軌跡的SEM顯微圖。(c) 20 N載荷下S9對(duì)軸承鋼GCr15磨損軌跡的SEM顯微圖。(d) MLG誘導(dǎo)Si₃N₄基陶瓷復(fù)合材料低COF的機(jī)理。(e) MLG潤(rùn)滑膜的SEM顯微照片。(f)磨損面C元素EDS譜圖。

   圖6.不同線速度下試樣的COFs:(a) 20 mm/s， (b) 50 mm/s， (e) 100 mm/s， (d) 150 mm/s， (e) 200 mm/s。(f)穩(wěn)定階段平均COFs和摩擦頻率。    

   圖7. 不同線速度下S9磨損面的SEM顯微圖:(a) 20 mm/s， (b) 50 mm/s， (c) 100 mm/s， (d) 150 mm/s， (e) 200 mm/s。(e) GCr15軸承鋼球的磨損表面。。(f)磨損表面O、Fe元素的EDS譜圖。

相關(guān)研究成果由西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、洛陽(yáng)軸承研究所有限公司Yanjing Yin等人于2023年發(fā)表在Ceramics International (https:///10.1016/j.ceramint.2023.09.083)上。原文：Tribological properties of graphene/β- Si₃N₄ whisker reinforced Si₃N₄ ceramic composites