石墨烯增强耐磨减摩氧化铝陶瓷涂层基础研究

发布时间：2018-10-30 11:35

【摘要】：随着科学技术的发展,机械零部件苛刻的服役条件对材料性能的要求也越来越严苛。为了适应当今科学技术对材料性能的要求,胶黏陶瓷涂层也需要进一步提高其耐磨减摩、耐腐蚀以及涂层/基体结合强度等特性。本文基于上述问题展开研究,为胶黏陶瓷涂层的发展与推广提供理论指导和依据。首先,运用热力学理论知识对氧化铝体系胶黏陶瓷涂层固化成型进行理论分析,分别确定了氧化铝体系胶黏陶瓷涂层溶解度与体系pH和温度的溶解度模型,从而确定胶黏陶瓷涂层的固化工艺。并通过XRD、Raman和DSC等分析手段确定胶黏陶瓷涂层固化机制。实验结果同时表明,在胶黏陶瓷涂层中植入的石墨烯并未参与固化反应。其次,本文分别对植入纳米氧化铝以及石墨烯添加剂的胶黏陶瓷涂层进行电化学试验研究。试验结果表明,纳米氧化铝和石墨烯均可以有效地提高胶黏陶瓷涂层的耐腐蚀性能,而且随着纳米氧化铝及石墨烯含量的增加,其耐腐蚀性能也相应地增加。然而对比两组试验结果可以发现,石墨烯在提高涂层耐腐蚀性能方面明显优于纳米氧化铝。借助SEM,Raman,EDS等分析方法,确定了纳米氧化铝以及石墨烯添加剂对于胶黏陶瓷涂层耐腐蚀特性的影响机制。由于纳米颗粒较大的比表面积,吸引其它粒子与其结合,而且颗粒之间存在很强的物理结合力。因此相互结合的粒子可以看作为以物理结合牢靠的大颗粒。首先牢靠的物理结合可以减少裂纹、孔隙等缺陷的萌生;其次当产生的裂纹遇到结合牢靠的大颗粒,无法击穿大颗粒,其扩展方向极易发生偏转,这将消耗部分断裂能并降低裂纹尖端的应力强度因子,从而阻止裂纹继续扩展,改善涂层的微观结构,减少裂纹,孔隙等缺陷的萌生,有效地阻止基体表面金属原子与O2、H2O和Cl-的接触,提高胶黏陶瓷涂层耐腐蚀性,可以更好的保护基体。石墨烯的添加,使得胶黏陶瓷涂层中分布一些片状的陶瓷片,以及片状的石墨烯。当内部裂纹产生时,裂纹扩展遇到这些高强度的片状结构,扩展方向会受阻,裂纹被阻断或被迫改变裂纹方向,消耗断裂能。O2、H2O和Cl-通过受阻断的裂纹扩散时将无法与基体接触,通过改变方向的裂纹扩散时,由于改变方向的裂纹变得更弯曲更长,增加了O2、H2O和Cl-通过该裂纹扩散的阻力。除此以外,石墨烯片状结构同样可以桥接裂纹两端,阻止裂纹宽度变大,提高陶瓷涂层的耐腐蚀性。通过对涂层进行线性往复摩擦磨损试验,发现石墨烯可以有效地降低涂层的摩擦系数及磨损量。对磨痕表面进行了微观结构及元素分析,确定了石墨烯对于胶黏陶瓷涂层摩擦系数及磨损量的影响机制。石墨烯对胶黏陶瓷涂层摩擦系数的影响机制主要包含两方面:其一,植入石墨烯,较未添加石墨烯的胶黏陶瓷涂层可以形成光滑的磨痕,光滑的磨痕可以减小接触粗糙峰的压力,降低摩擦接触面间的剪切强度,从而降低涂层的摩擦系数;此外,植入石墨烯,在发生摩擦时,基体的石墨烯会被挤出,在磨痕表面形成多层石墨烯润滑膜,由于石墨烯层与层之间较小的剪切强度,降低涂层的摩擦系数。石墨烯对于胶黏陶瓷涂层磨损量的影响机制主要包括三个方面:首先,相比未添加石墨烯的胶黏陶瓷涂层,植入石墨烯的涂层磨痕表面相对光滑,光滑的磨痕表面可以减小与对磨小球接触的粗糙峰的压力,降低涂层的磨损量;其次,植入石墨烯使得磨痕表面形成多层石墨烯润滑膜,基体中陶瓷骨料与对磨小球的接触面积减小,从而降低陶瓷骨料的磨损量;最后,石墨烯的添加可以显著提高涂层的韧性等力学性能,从而降低涂层内裂纹等缺陷的萌生,使得涂层基体很难被剥落,因此降低了涂层的磨损量。通过引入摩擦切向力作用,改进了摩擦过程中实际接触面积模型。并借鉴ZMC模型,创造性的提出从基体中挤出的固体润滑剂的量在弹性变形、弹塑性变形以及塑性变形阶段都是连续的,建立了植入固体润滑剂涂层的摩擦系数模型,模型结果与前人的研究以及本文试验数据相吻合,验证了模型的可靠性。由模型预测结果可知:摩擦系数随着润滑剂的含量增加呈线性减小趋势,随法向载荷增大呈先减小后不变的趋势。本模型为摩擦学学科,尤其是植入石墨烯等润滑添加剂的复合材料,提供一种更可靠精确的真实接触面模型以及摩擦系数模型。最后,本文针对涂层/基体结合强度问题展开研究。采用有限元分析技术,发现在涂层与基体之间添加过渡层可显著降低涂层体系内剪切应力突变情况,涂层/基体结合强度也因此得到提高。基于此,本文研究了涂层厚度、过渡层厚度及弹性模量对于涂层体系内剪应力分布的影响规律。为涂层的设计、过渡层的选择与设计提供理论依据。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.453

【参考文献】