技術領域
本發(fā)明涉及一種輕質(zhì)化的氮化硅-氧化鋁復合摩擦材料的制備方法，屬于復合摩擦材料技術領域。
背景技術：
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有高的強度、硬度、耐熱性和耐磨性以及優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，因而廣泛應用于密封部件、發(fā)動機關鍵部件、高速切削工具等領域，成為耐磨部件用材料的最佳選擇之一。然而，Si3N4陶瓷本身具有較高的干摩擦因數(shù)和磨損率，達不到Czichos提出的摩擦學材料工程應用要求，目前，國內(nèi)外經(jīng)常采用添加固體潤滑劑六方氮化硼(hBN)的方法來改善Si3N4陶瓷的摩擦學性能。
但是，研究發(fā)現(xiàn)在水中Si3N4-hBN/Si3N4摩擦材料摩擦因數(shù)高于Si3N4/ Si3N4摩擦材料摩擦因數(shù)，歸因于hBN的加入使Si3N4基陶瓷在水中的摩擦表面無法達到光滑鏡面，并且其磨損率也較高。
因此，需要對上述問題進行解決，以提高在水中Si3N4-hBN/Si3N4摩擦摩擦材料的摩擦性能。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題在于：Si3N4-hBN/Si3N4摩擦摩擦材料在水中的摩擦性能不好，摩擦因子較高的問題。本發(fā)明一方面，通過采用多孔氧化鋁作為基材，可以有效地減輕摩擦材料的重量，實現(xiàn)輕量化，本發(fā)明另一方面，通過高比表面積的氧化石墨烯和二氧化鈦構(gòu)成復合涂層，作為制備中間層，再經(jīng)過燒結(jié)之后，形成二氧化鈦與基材之間連接的疏松結(jié)構(gòu)，其具有較大的中空結(jié)構(gòu)，再將Si3N4-hBN漿料涂覆于鈦中空結(jié)構(gòu)上，其實現(xiàn)了較快的浸漿吸附作用，最終制備得到的表層Si3N4-hBN具有結(jié)構(gòu)緊密、摩擦因子小的優(yōu)點。
為解決上述問題，采用了如下技術手段：
一種輕質(zhì)化的氮化硅-氧化鋁復合摩擦材料的制備方法，包括如下步驟：
第1步，將氧化石墨粉末加入至去離子水中，配制成濃度為0.1～2wt%之間的溶液，再在超聲的作用下對溶液進行分散；
第2步，再將第1步得到的溶液與無水乙醇進行混合，升溫并回流，然后再加入醋酸鈦，使醋酸鈦在混合溶液中的濃度是0.3～1wt%，并保持回流狀態(tài)20～40min；
第3步，將第2步得到的反應液進行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反應液中的濃度是0.8～1.6wt%，進行冰浴反應之后，將沉淀離心濾出，再依次經(jīng)過無水乙醇、去離子水洗滌，烘干得到RGO /TiO2納米粉體；
第4步，將RGO /TiO2納米粉體與有機成型助劑、去離子水、表面活性劑按照重量比20：15～20：4～8：0.05～0.1混合成過渡層漿料；
第5步，采用多孔氧化鋁材料作為基材，以浸漿法將過渡層漿料涂覆于基材表面，取出后進行烘干，在空氣氣氛中再進行第一次燒結(jié)，再在氫氣氣氛中進行第二次燒結(jié)；
第6步，將Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、有機成型助劑、去離子水、表面活性劑按照重量比40～45：8～12：3～6：2～4：10～18：2～4混合均勻，作為表層漿料，再將第5步得到的燒結(jié)材料浸于表層漿料中，取出后在氮氣氣氛下進行第三次燒結(jié)，即可。
所述的第1步中，超聲頻率是20～50kHz，超聲功率是5～10W/cm2，超聲分散時間優(yōu)選30～60min。
所述的第2步中，第1步得到的溶液與無水乙醇的體積比是2～4：1。
所述的第3步中，冰浴反應時間3～5h。
所述的第5步中，多孔氧化鋁的孔隙率是30～60%；浸漿時間控制在20～30s。
所述的第5步中，第一次燒結(jié)程序是：以空氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至400～500℃保溫2～3h，然后以7℃/min升溫至900～920℃保溫1～2h，再以6～8℃/min升溫至1040～1060℃保溫1～2h，最后隨爐自然冷卻至室溫；第二次燒結(jié)程序是：以氫氣為燒結(jié)氣氛，首先以6℃/min從室溫升溫至300～400℃保溫1～2h，然后以4℃/min升溫至600～720℃保溫2～4h，再以4～6℃/min升溫至820～880℃保溫0.5～1h，最后隨爐自然冷卻至室溫。
所述的第4步和第6步中，有機成型助劑為羥丙基纖維素、甘油、油酸中的一種或幾種的混合；所述的表面活性劑是非離子表面活性劑，優(yōu)選甘油單硬脂酸酯。
所述的第6步中，第三次燒結(jié)程序是：以氮氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至450～550℃保溫2～3h，然后以6℃/min升溫至750～780℃保溫1～2h，最后隨爐自然冷卻至室溫。
有益效果
本發(fā)明一方面，通過采用多孔氧化鋁作為基材，可以有效地減輕摩擦材料的重量，實現(xiàn)輕量化，本發(fā)明另一方面，通過高比表面積的氧化石墨烯和二氧化鈦構(gòu)成復合涂層，作為制備中間層，再經(jīng)過燒結(jié)之后，使大比表面積的氧化石墨烯被燒除，剩余部分形成二氧化鈦與基材之間連接的疏松結(jié)構(gòu)，其具有較大的中空結(jié)構(gòu)，進一步再通過氫氣氣氛燒結(jié)，使二氧化鈦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為為鈦，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)再次擴大，最后再將Si3N4-hBN漿料涂覆于鈦中空結(jié)構(gòu)上，利用鈦結(jié)構(gòu)的較強的吸漿作用，實現(xiàn)了較快的浸漿吸附效果，最終制備得到的表層Si3N4-hBN具有結(jié)構(gòu)緊密、摩擦因子小的優(yōu)點。
具體實施方式
實施例1
第1步，將氧化石墨粉末加入至去離子水中，配制成濃度為0.1wt%的溶液，再在超聲的作用下對溶液進行分散，超聲頻率是20kHz，超聲功率是5W/cm2，超聲分散時間30min；
第2步，再將第1步得到的溶液與無水乙醇按體積比是2：1進行混合，升溫并回流，然后再加入醋酸鈦，使醋酸鈦在混合溶液中的濃度是0.3wt%，并保持回流狀態(tài)20min；
第3步，將第2步得到的反應液進行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反應液中的濃度是0.8wt%，進行冰浴反應3h之后，將沉淀離心濾出，再依次經(jīng)過無水乙醇、去離子水洗滌，烘干得到RGO /TiO2納米粉體；
第4步，將RGO /TiO2納米粉體與甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比20：15：4：0.05混合成過渡層漿料；
第5步，采用孔隙率是30%的多孔氧化鋁材料作為基材，以浸漿法將過渡層漿料涂覆于基材表面，浸漿時間控制在20s，取出后進行烘干，在空氣氣氛中再進行第一次燒結(jié)，再在氫氣氣氛中進行第二次燒結(jié)，第一次燒結(jié)程序是：以空氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至400℃保溫2h，然后以7℃/min升溫至900℃保溫1h，再以6℃/min升溫至1040℃保溫1h，最后隨爐自然冷卻至室溫；第二次燒結(jié)程序是：以氫氣為燒結(jié)氣氛，首先以6℃/min從室溫升溫至300℃保溫1h，然后以4℃/min升溫至600℃保溫2h，再以4℃/min升溫至820℃保溫0.5h，最后隨爐自然冷卻至室溫；
第6步，將Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比40：8：3：2：10：2混合均勻，作為表層漿料，再將第5步得到的燒結(jié)材料浸于表層漿料中，取出后在氮氣氣氛下進行第三次燒結(jié)，第三次燒結(jié)程序是：以氮氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至450℃保溫2h，然后以6℃/min升溫至750℃保溫1h，最后隨爐自然冷卻至室溫，即可。
實施例2
第1步，將氧化石墨粉末加入至去離子水中，配制成濃度為2wt%的溶液，再在超聲的作用下對溶液進行分散，超聲頻率是50kHz，超聲功率是10W/cm2，超聲分散時間60min；
第2步，再將第1步得到的溶液與無水乙醇按體積比是4：1進行混合，升溫并回流，然后再加入醋酸鈦，使醋酸鈦在混合溶液中的濃度是1wt%，并保持回流狀態(tài)40min；
第3步，將第2步得到的反應液進行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反應液中的濃度是1.6wt%，進行冰浴反應5h之后，將沉淀離心濾出，再依次經(jīng)過無水乙醇、去離子水洗滌，烘干得到RGO /TiO2納米粉體；
第4步，將RGO /TiO2納米粉體與甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比20： 20： 8： 0.1混合成過渡層漿料；
第5步，采用孔隙率是60%的多孔氧化鋁材料作為基材，以浸漿法將過渡層漿料涂覆于基材表面，浸漿時間控制在30s，取出后進行烘干，在空氣氣氛中再進行第一次燒結(jié)，再在氫氣氣氛中進行第二次燒結(jié)，第一次燒結(jié)程序是：以空氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至500℃保溫3h，然后以7℃/min升溫至920℃保溫2h，再以8℃/min升溫至1060℃保溫2h，最后隨爐自然冷卻至室溫；第二次燒結(jié)程序是：以氫氣為燒結(jié)氣氛，首先以6℃/min從室溫升溫至400℃保溫2h，然后以4℃/min升溫至720℃保溫4h，再以6℃/min升溫至880℃保溫1h，最后隨爐自然冷卻至室溫；
第6步，將Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比45： 12： 6： 4： 18： 4混合均勻，作為表層漿料，再將第5步得到的燒結(jié)材料浸于表層漿料中，取出后在氮氣氣氛下進行第三次燒結(jié)，第三次燒結(jié)程序是：以氮氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至550℃保溫3h，然后以6℃/min升溫至780℃保溫2h，最后隨爐自然冷卻至室溫，即可。
實施例3
第1步，將氧化石墨粉末加入至去離子水中，配制成濃度為0.7wt%的溶液，再在超聲的作用下對溶液進行分散，超聲頻率是40kHz，超聲功率是7W/cm2，超聲分散時間優(yōu)選50min；
第2步，再將第1步得到的溶液與無水乙醇按體積比是3：1進行混合，升溫并回流，然后再加入醋酸鈦，使醋酸鈦在混合溶液中的濃度是0.7wt%，并保持回流狀態(tài)30min；
第3步，將第2步得到的反應液進行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反應液中的濃度是0.9wt%，進行冰浴反應4h之后，將沉淀離心濾出，再依次經(jīng)過無水乙醇、去離子水洗滌，烘干得到RGO /TiO2納米粉體；
第4步，將RGO /TiO2納米粉體與甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比20：18：6：0.081混合成過渡層漿料；
第5步，采用孔隙率是50%的多孔氧化鋁材料作為基材，以浸漿法將過渡層漿料涂覆于基材表面，浸漿時間控制在25s，取出后進行烘干，在空氣氣氛中再進行第一次燒結(jié)，再在氫氣氣氛中進行第二次燒結(jié)，第一次燒結(jié)程序是：以空氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至450℃保溫3h，然后以7℃/min升溫至910℃保溫1h，再以7℃/min升溫至1050℃保溫2h，最后隨爐自然冷卻至室溫；第二次燒結(jié)程序是：以氫氣為燒結(jié)氣氛，首先以6℃/min從室溫升溫至340℃保溫1h，然后以4℃/min升溫至650℃保溫3h，再以5℃/min升溫至860℃保溫0.7h，最后隨爐自然冷卻至室溫；
第6步，將Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比43：9：5：3：13：3混合均勻，作為表層漿料，再將第5步得到的燒結(jié)材料浸于表層漿料中，取出后在氮氣氣氛下進行第三次燒結(jié)，第三次燒結(jié)程序是：以氮氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至480℃保溫3h，然后以6℃/min升溫至760℃保溫2h，最后隨爐自然冷卻至室溫，即可。
對照例1
與實施例3的區(qū)別在于：過渡層漿料中未加入氧化石墨粉末。
第1步，將去離子水與無水乙醇按體積比是3：1進行混合，升溫并回流，然后再加入醋酸鈦，使醋酸鈦在混合溶液中的濃度是0.7wt%，并保持回流狀態(tài)30min；
第2步，將第1步得到的反應液進行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反應液中的濃度是0.9wt%，進行冰浴反應4h之后，將沉淀離心濾出，再依次經(jīng)過無水乙醇、去離子水洗滌，烘干得到RGO /TiO2納米粉體；
第3步，將RGO /TiO2納米粉體與甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比20：18：6：0.081混合成過渡層漿料；
第4步，采用孔隙率是50%的多孔氧化鋁材料作為基材，以浸漿法將過渡層漿料涂覆于基材表面，浸漿時間控制在25s，取出后進行烘干，在空氣氣氛中再進行第一次燒結(jié)，再在氫氣氣氛中進行第二次燒結(jié)，第一次燒結(jié)程序是：以空氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至450℃保溫3h，然后以7℃/min升溫至910℃保溫1h，再以7℃/min升溫至1050℃保溫2h，最后隨爐自然冷卻至室溫；第二次燒結(jié)程序是：以氫氣為燒結(jié)氣氛，首先以6℃/min從室溫升溫至340℃保溫1h，然后以4℃/min升溫至650℃保溫3h，再以5℃/min升溫至860℃保溫0.7h，最后隨爐自然冷卻至室溫；
第5步，將Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比43：9：5：3：13：3混合均勻，作為表層漿料，再將第4步得到的燒結(jié)材料浸于表層漿料中，取出后在氮氣氣氛下進行第三次燒結(jié)，第三次燒結(jié)程序是：以氮氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至480℃保溫3h，然后以6℃/min升溫至760℃保溫2h，最后隨爐自然冷卻至室溫，即可。
對照例2
與實施例3的區(qū)別在于：在經(jīng)過中間層第一次燒結(jié)之后，未經(jīng)過第二次氫氣氣氛燒結(jié)，使中間層仍然保持為氧化鈦材質(zhì)。
第1步，將氧化石墨粉末加入至去離子水中，配制成濃度為0.7wt%的溶液，再在超聲的作用下對溶液進行分散，超聲頻率是40kHz，超聲功率是7W/cm2，超聲分散時間優(yōu)選50min；
第2步，再將第1步得到的溶液與無水乙醇按體積比是3：1進行混合，升溫并回流，然后再加入醋酸鈦，使醋酸鈦在混合溶液中的濃度是0.7wt%，并保持回流狀態(tài)30min；
第3步，將第2步得到的反應液進行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反應液中的濃度是0.9wt%，進行冰浴反應4h之后，將沉淀離心濾出，再依次經(jīng)過無水乙醇、去離子水洗滌，烘干得到RGO /TiO2納米粉體；
第4步，將RGO /TiO2納米粉體與甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比20：18：6：0.081混合成過渡層漿料；
第5步，采用孔隙率是50%的多孔氧化鋁材料作為基材，以浸漿法將過渡層漿料涂覆于基材表面，浸漿時間控制在25s，取出后進行烘干，在空氣氣氛中再進行第一次燒結(jié)，第一次燒結(jié)程序是：以空氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至450℃保溫3h，然后以7℃/min升溫至910℃保溫1h，再以7℃/min升溫至1050℃保溫2h，最后隨爐自然冷卻至室溫；
第6步，將Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去離子水、甘油單硬脂酸酯按照重量比43：9：5：3：13：3混合均勻，作為表層漿料，再將第5步得到的燒結(jié)材料浸于表層漿料中，取出后在氮氣氣氛下進行第二次燒結(jié)，第二次燒結(jié)程序是：以氮氣為燒結(jié)氣氛，首先以3℃/min從室溫升溫至480℃保溫3h，然后以6℃/min升溫至760℃保溫2h，最后隨爐自然冷卻至室溫，即可。
將上述制備得到的摩擦材料表面經(jīng)丙酮清洗之后，進行摩擦效果的測試，測試方法如下：
將上述實施例和對照例得到的摩擦材料制成5mm×5mm×10mm的銷試樣，端面倒角，再以氧化鋁基材制成Φ44×6mm盤試樣，在MM U-5C銷-盤式摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，水潤滑方式是滴定法，蒸餾水通過Φ3 mm的細銅管以(1/3)滴/s的流速滴在摩擦表面上。試驗參數(shù)為：載荷10 N，線速度0 66 m/s，磨程850 m。
摩擦因數(shù)由試驗機自動記錄，并由其數(shù)據(jù)處理軟件輸出．在精度為0.1 mg的光電天平上稱量磨損前、后的質(zhì)量(稱量前試樣均經(jīng)超聲清洗10 min)，通過計算獲得體積磨損率．在本試驗條件下。體積磨損率的值低于10-6mm3/(N·m)數(shù)量級時，測量值為0。體積磨損率計算公式如下：
Vm=Δm/P·S·ρ；
式中：Vm為體積磨損率,mm3/(N·m)；Δm為磨損后的質(zhì)量損失,g；P為載荷，N；S為磨程，m；ρ為試樣的密度,g/cm3。
在依次經(jīng)過200m、500m、1000m磨程之后，摩擦因數(shù)和銷磨損率如下所示：
從上表中可以看出，本發(fā)明提供的摩擦材料具有較小的摩擦因子，說明其摩擦性能優(yōu)異，同時經(jīng)過1000m摩程之后，其表面質(zhì)量損失小。另外實施例3與對照例1相比可以看出，通過在中間層中加入氧化石墨烯，利用其具有有大比表面積性質(zhì)，可以作為模板，在燒結(jié)去除之后，可以形成較好的氧化鈦中空結(jié)構(gòu)，能夠較好的產(chǎn)生吸漿作用，提高表層的致密性，提高摩擦性能；實施例3與對照例2可以看出，通過氫氣氣氛還原可以有效地擴展氧化鈦結(jié)構(gòu)的中空程度，降低摩擦因子和降低摩擦損失。