探索低摩擦系數陶瓷基自潤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- Si
3N
4晶須(β- Si
3N
4w)/ Si
3N
4陶瓷的摩擦學性能。討論了載荷和線速度對干滑動COF的影響。根據Si
3N
4基陶瓷的磨損形貌和力學性能，深入分析了MLG和β- Si
3N
4w的減摩自潤滑機理。提出了摩擦頻率來分析磨損機理。結果表明，MLG和β- Si
3N
4w導致COF的突破性降低。在5 ~ 20 N的負荷下，COF達到了0.04 ~ 0.07的超低水平，比已有報道的研究進一步降低了89.86%。力學性能的全面提高和MLG潤滑膜的存在是超低COF的主要原因。在50 ~ 200 mm/s速率下，MLG/β- Si
3N
4w / Si
3N
4陶瓷的COF提高到0.24 ~ 0.31，但仍比石墨烯/ Si
3N
4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- Si
3N
4w / Si
3N
4陶瓷的主要磨損形式。
圖1. （a）Si
3N
4基陶瓷復合材料的樣品。（b） 摩擦磨損試驗示意圖。
圖2. (a)和(b)是燒結Si
3N
4基陶瓷復合材料的XRD圖譜和拉曼光譜。
圖3. 燒結Si
3N
4基陶瓷復合材料斷裂形貌的SEM顯微圖。
圖4. （a）不同荷載下試樣的COFs。（b） 本工作與其他報告研究之間的COF比較。
圖5. (a)設計試樣的硬度和斷裂韌性。(b) 20 N載荷作用下，Si
3N
4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對軸承鋼GCr15磨損軌跡的SEM顯微圖。(d) MLG誘導Si
3N
4基陶瓷復合材料低COF的機理。(e) MLG潤滑膜的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。
相關研究成果由西安交通大學現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室、洛陽軸承研究所有限公司Yanjing Yin等人于2023年發表在Ceramics International (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.09.083)上。原文：Tribological properties of graphene/β- Si
3N
4 whisker reinforced Si
3N
4 ceramic composites
轉自《石墨烯研究》公眾號
