“摩擦(ca)”是一種(zhong)相當常見的(de)(de)現象，時時刻刻伴隨著人類(lei)的(de)(de)活動(dong)(dong)，如走路需要摩擦(ca)、汽車的(de)(de)行駛(shi)需要摩擦(ca)、火車的(de)(de)奔跑(pao)也需要摩擦(ca)。這(zhe)種(zhong)相對運動(dong)(dong)造(zao)成的(de)(de)物理現象看(kan)似對人類(lei)很友善，但其實(shi)也經常露出猙獰的(de)(de)一面(mian)。

　　比如說在(zai)(zai)工業(ye)上，兩個物體之間的(de)“摩(mo)擦”往(wang)(wang)往(wang)(wang)是有害的(de)，會導(dao)致物體接觸表面的(de)磨(mo)損(sun)，嚴重的(de)磨(mo)損(sun)甚至會使得正(zheng)常工作(zuo)的(de)運動機(ji)構失效(xiao)。為了(le)應對這個工業(ye)大(da)敵，人們往(wang)(wang)往(wang)(wang)會使用具(ju)備優良耐磨(mo)性(xing)能(neng)的(de)先進陶瓷(ci)材料(liao)作(zuo)為普通金屬(shu)或(huo)塑料(liao)的(de)代替，或(huo)在(zai)(zai)易(yi)損(sun)工件的(de)表面覆蓋(gai)上耐磨(mo)陶瓷(ci)提高其(qi)耐久性(xing)能(neng)。

　　與普通金屬或塑料相比，耐磨陶瓷具有以下優勢：硬度大、強度高、耐磨性能好，超出錳鋼，高鉻鋼100倍以上、耐高溫、耐酸堿腐蝕、重量輕，僅為鋼鐵的一半，可以大大降低設備的負荷。而在這其中，氧化鋁陶瓷因(yin)具有十分親民的價格，相(xiang)當適合工(gong)業應用，已成(cheng)為該領域最常使用的耐磨材料(liao)之一，在礦石破碎(sui)處(chu)理(li)系統、原材料(liao)粉磨系統、高速切(qie)削等(deng)比較“狂野奔放”的場合隨處(chu)可(ke)見。

　　由(you)于陶(tao)瓷(ci)材料摩擦磨損性(xing)能對其能否良好地服役至關(guan)重(zhong)要(yao)，因(yin)此要(yao)想要(yao)氧(yang)化鋁陶(tao)瓷(ci)“駕馭”住摩擦，就(jiu)必須要(yao)去認識及研究它與(yu)摩擦之間(jian)的關(guan)系。

　　氧(yang)化鋁陶瓷與(yu)摩擦的關(guan)系(xi)

　　Evans曾(ceng)對影(ying)響(xiang)(xiang)陶(tao)瓷(ci)(ci)材料磨(mo)損率(lv)(lv)的因素進行(xing)系統研究，發現陶(tao)瓷(ci)(ci)材料的硬(ying)(ying)度(du)和斷(duan)裂(lie)韌性(xing)是影(ying)響(xiang)(xiang)其磨(mo)損率(lv)(lv)的關鍵因素，且具(ju)有(you)高硬(ying)(ying)度(du)和斷(duan)裂(lie)韌性(xing)的陶(tao)瓷(ci)(ci)材料磨(mo)損率(lv)(lv)較低。針對提高陶(tao)瓷(ci)(ci)材料硬(ying)(ying)度(du)和斷(duan)裂(lie)韌性(xing)的目(mu)標，各國學者開展(zhan)了大量的研究工(gong)作，具(ju)體可分(fen)為以下(xia)幾個方面進行(xing)分(fen)析：

　　1.陶瓷晶粒尺寸

　　氧化鋁陶瓷材料有單相(xiang)陶瓷和復相(xiang)陶瓷（即在(zai)基(ji)體中加入第(di)二相(xiang)）之(zhi)分，在(zai)晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)與陶瓷摩擦學性能相(xiang)關性研究領域，研究者(zhe)們主要(yao)考察(cha)了基(ji)體相(xiang)（或第(di)二相(xiang)）的晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)對陶瓷摩擦學性能的影響。

　　如(ru)Roy等(deng)研(yan)究(jiu)了亞(ya)微(wei)(wei)米(mi)(mi)和(he)微(wei)(wei)米(mi)(mi)級單相氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁陶(tao)瓷(ci)(ci)在(zai)生(sheng)物環(huan)境下的(de)摩擦磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)(xing)能，發現在(zai)牛血清蛋白環(huan)境中(zhong)亞(ya)微(wei)(wei)米(mi)(mi)陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)磨(mo)(mo)損率要遠低于(yu)微(wei)(wei)米(mi)(mi)級陶(tao)瓷(ci)(ci)，且亞(ya)微(wei)(wei)米(mi)(mi)陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)晶(jing)(jing)粒(li)拔出和(he)晶(jing)(jing)界微(wei)(wei)裂(lie)紋明(ming)顯(xian)少于(yu)粗晶(jing)(jing)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁陶(tao)瓷(ci)(ci)。Sedlacek等(deng)研(yan)究(jiu)了不同氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁基(ji)體(ti)晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)對磨(mo)(mo)損性(xing)(xing)(xing)能的(de)影響(xiang)，其中(zhong)基(ji)體(ti)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)在(zai)0.8~4μm之(zhi)間變化(hua)(hua)(hua)，而(er)第二(er)相SiC為納米(mi)(mi)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)。研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁基(ji)體(ti)處(chu)于(yu)亞(ya)微(wei)(wei)米(mi)(mi)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)時(shi)耐磨(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)能好于(yu)晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)(chi)寸(cun)(cun)(cun)為微(wei)(wei)米(mi)(mi)尺(chi)(chi)度(du)的(de)納米(mi)(mi)復合陶(tao)瓷(ci)(ci)；基(ji)體(ti)晶(jing)(jing)粒(li)處(chu)于(yu)亞(ya)微(wei)(wei)米(mi)(mi)尺(chi)(chi)度(du)時(shi)，耐磨(mo)(mo)性(xing)(xing)(xing)與斷裂(lie)韌性(xing)(xing)(xing)之(zhi)間沒有明(ming)顯(xian)關系，而(er)基(ji)體(ti)處(chu)于(yu)微(wei)(wei)米(mi)(mi)尺(chi)(chi)度(du)的(de)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁復相陶(tao)瓷(ci)(ci)的(de)磨(mo)(mo)損率隨著硬度(du)增加而(er)下降。

　　顯然，通(tong)(tong)過(guo)上述例(li)子可看出，通(tong)(tong)過(guo)細化晶(jing)粒(li)可有效幫助(zhu)提高材料(liao)結構均(jun)勻性，包括提高材料(liao)致密(mi)度(du)，降低材料(liao)缺陷等(deng)。

　　2.第二相材料

　　在氧化(hua)(hua)鋁復相陶瓷摩擦學性(xing)能研究領域，組分復合(he)化(hua)(hua)，即通過添加各種第(di)(di)二(er)相、顆粒（或晶須）形(xing)成復合(he)材料(liao)也是(shi)提升氧化(hua)(hua)鋁陶瓷摩擦學（或切(qie)削）性(xing)能的主(zhu)要(yao)途徑(jing)。根據不同的影響機(ji)制(zhi)(zhi)，可分為第(di)(di)二(er)相自潤(run)滑機(ji)制(zhi)(zhi)、第(di)(di)二(er)相晶界增(zeng)強作用、第(di)(di)二(er)相摩擦化(hua)(hua)學反應(ying)機(ji)制(zhi)(zhi)等幾(ji)種類型。

　　①第二相自潤滑機制

　　在(zai)Al2O3陶(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)(ji)體(ti)中(zhong)引(yin)入石(shi)墨、CaF2、PbWO4、MoS2、BN、軟金屬等(deng)第(di)二相(xiang)固(gu)體(ti)潤(run)(run)(run)滑(hua)劑能(neng)有效(xiao)地降低材(cai)料的摩擦因數(shu)，從而提(ti)高材(cai)料的摩擦學性能(neng)。鄧建新等(deng)在(zai)Al2O3/TiC復合陶(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)(ji)體(ti)中(zhong)引(yin)入了10%CaF2固(gu)體(ti)潤(run)(run)(run)滑(hua)劑，通過切削和摩擦實驗都發現：CaF2在(zai)摩擦表面(mian)被擠壓涂(tu)抹成(cheng)自潤(run)(run)(run)滑(hua)膜，自潤(run)(run)(run)滑(hua)膜能(neng)有效(xiao)地阻止材(cai)料與(yu)摩擦副之間的黏著作用，降低摩擦因數(shu)，起到(dao)自潤(run)(run)(run)滑(hua)作用。

　　②第二相晶界增強作用

　　在(zai)氧化鋁陶瓷基(ji)體(ti)中引入第二(er)相(xiang)（主要是(shi)顆(ke)粒及晶(jing)須），利用(yong)彌散顆(ke)粒與基(ji)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)間熱(re)膨(peng)(peng)脹(zhang)系數(shu)的(de)(de)差(cha)異，在(zai)材(cai)(cai)料(liao)制備冷卻過程中產生殘余應(ying)力，達(da)到晶(jing)界(jie)增強的(de)(de)作用(yong)，當裂(lie)(lie)紋沿晶(jing)界(jie)擴展(zhan)(zhan)(zhan)時，不僅要克服基(ji)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)固有的(de)(de)晶(jing)界(jie)能，還要克服殘余壓應(ying)力所帶來的(de)(de)附(fu)加能量，因而(er)增加了裂(lie)(lie)紋擴展(zhan)(zhan)(zhan)抗力；另一(yi)方面，由于第二(er)相(xiang)顆(ke)粒的(de)(de)熱(re)膨(peng)(peng)脹(zhang)系數(shu)小于基(ji)體(ti)的(de)(de)熱(re)膨(peng)(peng)脹(zhang)系數(shu)，材(cai)(cai)料(liao)冷卻過程中會產生體(ti)積效應(ying)，在(zai)第二(er)相(xiang)顆(ke)粒周圍將產生微(wei)裂(lie)(lie)紋，誘導(dao)裂(lie)(lie)紋偏轉(zhuan)，使裂(lie)(lie)紋的(de)(de)擴展(zhan)(zhan)(zhan)消耗更多(duo)的(de)(de)能量；此外，一(yi)般第二(er)相(xiang)顆(ke)粒都(dou)近似呈圓球形，使得裂(lie)(lie)紋尖端(duan)鈍化，從而(er)減小應(ying)力集中而(er)阻止裂(lie)(lie)紋擴展(zhan)(zhan)(zhan)，從而(er)提(ti)高材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)摩擦學性能。

　　③第二相摩擦化學反應機制

　　第(di)二(er)相摩(mo)擦化(hua)學(xue)反應機(ji)制是指(zhi)摻在(zai)Al2O3基體中的第(di)二(er)相在(zai)與對(dui)磨副(fu)材料(liao)摩(mo)擦時與空(kong)氣(qi)中的氣(qi)體（主要是氧(yang)氣(qi)）或與對(dui)磨副(fu)材料(liao)發生化(hua)學(xue)反應，產(chan)生潤滑膜，降低材料(liao)摩(mo)擦因(yin)數，從而提高材料(liao)的摩(mo)擦學(xue)性能。

　　鄧(deng)建新等在(zai)(zai)Al2O3陶(tao)(tao)瓷(ci)基體中(zhong)引入TiB2顆粒(li)制備Al2O3/TiB2復合陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具，刀(dao)(dao)具在(zai)(zai)與(yu)(yu)45#淬硬鋼(gang)進(jin)行切(qie)削(xue)試驗時(shi)發(fa)現:當切(qie)削(xue)速度(du)大于(yu)(yu)120m/min，即(ji)切(qie)削(xue)溫度(du)大于(yu)(yu)800℃時(shi)，Al2O3/TiB2復合陶(tao)(tao)瓷(ci)刀(dao)(dao)具中(zhong)的(de)TiB2與(yu)(yu)氧氣發(fa)生(sheng)化學反應，生(sheng)成TiO2和B2O3，由于(yu)(yu)TiO2的(de)彈性模量和硬度(du)都(dou)比基體材料(liao)低得多，使得抗剪切(qie)強度(du)減小，從(cong)而材料(liao)的(de)摩擦因數下降，減輕了刀(dao)(dao)具的(de)黏著磨損(sun)，提(ti)高刀(dao)(dao)具的(de)耐磨性。

　　3.摩擦學機制

　　不同應(ying)用情況(kuang)下(xia)，氧化鋁陶(tao)瓷表現出(chu)的摩擦學(xue)機制其實(shi)也不同，因此應(ying)結(jie)合不同的強化方式(shi)對癥下(xia)藥(yao)。目(mu)前針對這一方面(mian)，已有研究者們(men)進行了廣泛的研究，并(bing)取得(de)了一些規律性認識(shi)：

　　鄧建新等研究了Al2O3/TiB2、Al2O3/TiC/CaF2兩種高溫自潤(run)滑陶瓷(ci)刀具(ju)材料的(de)(de)摩(mo)擦學(xue)機制。研究發(fa)現(xian)：低速干切削時(shi)(shi)，Al2O3/TiB2陶瓷(ci)刀具(ju)的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)損機制表現(xian)為黏著磨(mo)(mo)(mo)損和(he)磨(mo)(mo)(mo)料磨(mo)(mo)(mo)損；而在高速干切削時(shi)(shi)，刀具(ju)的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)損機制表現(xian)為氧化磨(mo)(mo)(mo)損，刀具(ju)表面經(jing)由(you)摩(mo)擦化學(xue)反(fan)應生(sheng)成(cheng)的(de)(de)反(fan)應膜(mo)起(qi)到(dao)固體(ti)潤(run)滑作用，使(shi)刀具(ju)的(de)(de)耐磨(mo)(mo)(mo)性能提高，隨(sui)著TiB2含量和(he)切削速度的(de)(de)增(zeng)加，反(fan)應膜(mo)的(de)(de)減摩(mo)抗磨(mo)(mo)(mo)作用增(zeng)強。

　　姚淑卿等研究了添加(jia)不同第二相的(de)3種(zhong)Al2O3基陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)材料的(de)摩(mo)擦學(xue)性(xing)能(neng)及機制(zhi)，研究表明：Al2O3基陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)材料的(de)摩(mo)擦學(xue)特性(xing)與添加(jia)劑的(de)種(zhong)類(lei)有(you)關，其抗磨(mo)性(xing)能(neng)由大到(dao)小順序(xu)依次為Al2O3/SiCw，Al2O3/Ti(C,N)，Al2O3/TiC；且材料的(de)摩(mo)擦學(xue)性(xing)能(neng)與其硬(ying)度(H)、彈性(xing)模(mo)量(liang)(E)和斷(duan)裂韌(ren)性(xing)(KIC)有(you)關，磨(mo)損(sun)率W隨E/H增加(jia)而增大，隨KIC增加(jia)而減小；Al2O3/TiC陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)材料的(de)磨(mo)損(sun)機制(zhi)以黏著磨(mo)損(sun)為主，Al2O3/Ti(C,N)和Al2O3/SiCw陶(tao)瓷(ci)刀(dao)具(ju)材料的(de)磨(mo)損(sun)機制(zhi)以磨(mo)粒磨(mo)損(sun)為主。

　　總結

　　材(cai)料的摩擦磨損(sun)性能(neng)(neng)是一(yi)個綜合性能(neng)(neng)的表現，受眾多因素影響。但各方(fang)面研(yan)究(jiu)都表明，細(xi)化(hua)晶粒(li)和組分(fen)復合化(hua)確實能(neng)(neng)夠有(you)效提(ti)高氧(yang)(yang)化(hua)鋁陶瓷材(cai)料的強度和斷裂韌性，進而提(ti)升其摩擦學性能(neng)(neng)。若該方(fang)面的研(yan)究(jiu)可繼(ji)續精進，必能(neng)(neng)有(you)效推動氧(yang)(yang)化(hua)鋁陶瓷材(cai)料在各個領域中的進一(yi)步應用。

　　資料來源：

　　Al2O3陶瓷材料的摩擦學研究進展(zhan)，黃偉九，吳桂森。

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