氧化鋁陶瓷“耐磨（mó）”的秘密

1.陶瓷晶粒尺寸

氧（yǎng）化鋁陶瓷材料有單相陶瓷和複相陶瓷（即在基體中加（jiā）入第二相）之分，在晶粒（lì）尺寸（cùn）與陶瓷摩擦學性能相關性研究領域，研究者們主要考察了基（jī）體相（或（huò）第二相）的晶粒尺寸對陶瓷摩擦學性能的影響。

氧化鋁陶瓷的SEM圖

如Roy等研究了亞微米和微米級單相氧化（huà）鋁陶瓷在生物環境下（xià）的摩擦磨損性能，發現在牛血清蛋白環境中亞微（wēi）米陶瓷的磨損率要遠低於微米級陶瓷，且亞微米陶瓷的晶粒拔出和晶界（jiè）微裂紋明顯少（shǎo）於粗晶氧（yǎng）化鋁陶瓷。Sedlacek等研究（jiū）了不同氧化鋁基體（tǐ）晶粒尺寸對磨損（sǔn）性能（néng）的影響，其中基（jī）體氧化鋁晶粒尺寸在0.8~4μm之間變化，而第二（èr）相SiC為納米尺（chǐ）寸。研究表明氧化鋁基體處於亞微米尺寸時耐磨性能好於晶粒尺寸為微（wēi）米尺（chǐ）度的納米（mǐ）複合（hé）陶瓷；基體晶粒處於亞微米尺度時，耐磨性與（yǔ）斷裂韌性之間沒有明顯關係（xì），而基體處於微米尺度的氧化鋁複相陶瓷的磨損率隨著（zhe）硬度增加而下降。

顯然（rán），通過上述例子可看出，通（tōng）過細化晶粒可有效幫助提高（gāo）材料結構均（jun1）勻性，包括提高材料致（zhì）密度，降低材料（liào）缺陷等。

2.第二相材料（liào）

在氧化鋁複相陶瓷摩擦（cā）學性能研究領域，組分複合（hé）化，即通過添加各種第二（èr）相、顆粒（或晶須）形（xíng）成複合材料也是提升氧化鋁陶瓷摩擦學（或切削）性能的主要途徑。根據不同（tóng）的影響（xiǎng）機製，可（kě）分為第二（èr）相自潤滑機製、第二相（xiàng）晶界增強作用、第二相摩擦（cā）化學反應機（jī）製等幾種類型（xíng）。

①第二相自潤滑機製

在Al2O3陶瓷基體中引（yǐn）入石墨、CaF2、PbWO4、MoS2、BN、軟金屬等第二相（xiàng）固體潤滑劑（jì）能有效地降（jiàng）低（dī）材料的摩擦因數，從而提高材料的摩擦學性能。鄧建（jiàn）新等在Al2O3/TiC複合陶瓷基體中引入了10%CaF2固體潤滑劑，通過切削和摩擦實驗都發（fā）現：CaF2在摩擦表麵被擠壓塗抹成自潤滑膜，自潤滑膜能有效地阻止材料與摩擦副之間的（de）黏著（zhe）作用，降低摩擦因數，起到（dào）自潤滑作用。

②第二相晶界增強作用

在氧化鋁陶瓷基體中引入第二相（xiàng）（主（zhǔ）要是顆粒及（jí）晶須），利用彌散顆粒與（yǔ）基體材料間熱膨脹係數的差異，在（zài）材料製備冷卻過程中產生殘餘（yú）應力，達到（dào）晶界增強的作用，當裂紋沿晶界擴展時，不僅要克服基體材料（liào）固有（yǒu）的晶界能，還要克服殘餘壓應力所帶來的附加能（néng）量，因（yīn）而增加了裂紋擴展抗力；另（lìng）一方麵，由於第二相顆粒的熱（rè）膨脹係（xì）數小於基體的熱（rè）膨脹係數，材料冷卻過程中會產生體積效應（yīng），在第二相顆粒周圍將產生微裂紋，誘（yòu）導裂紋偏轉，使裂紋的擴展消耗更多的能量；此外，一般第二相顆粒都近似呈圓球形，使得裂（liè）紋尖端鈍化，從而減（jiǎn）小應力集中而（ér）阻止裂紋擴展，從而提（tí）高材料的摩擦學性（xìng）能。

③第二相摩擦化學反應（yīng）機製

第（dì）二相摩擦（cā）化學反應機製是指摻在Al2O3基體中的（de）第二相在（zài）與對（duì）磨副材料摩擦時與空氣中的氣體（主要是氧氣）或與對磨副材料發生化學反應，產生潤滑（huá）膜（mó），降低材料摩擦因數，從而提高材料的（de）摩擦學性能（néng）。

鄧建新等在Al2O3陶瓷基體中引入TiB2顆粒製備Al2O3/TiB2複合陶瓷刀具，刀（dāo）具在與45#淬硬鋼進（jìn）行切削試驗時發現:當切削速度大於120m/min，即切削溫度大於800℃時，Al2O3/TiB2複合陶瓷（cí）刀具中的TiB2與氧氣發生化學反應，生成TiO2和（hé）B2O3，由（yóu）於TiO2的彈性模量和（hé）硬度（dù）都比基體材料低得多，使得抗剪切強（qiáng）度（dù）減小，從而材料的摩擦因數下降，減輕了刀具的黏著磨損，提高刀具的耐磨性。

3.摩擦學機製

不同應用情況下，氧化鋁陶瓷表現出的摩擦學機製其實也不同，因此應結合（hé）不同的強化方式對（duì）症下藥。目前針對這一方麵，已有（yǒu）研究者們進行了廣泛的研究，並取得了一些規律（lǜ）性認識：

鄧建新等研究了Al2O3/TiB2、Al2O3/TiC/CaF2兩種高溫自潤滑陶（táo）瓷刀具材料的摩擦學機製。研究發現：低速幹切削時，Al2O3/TiB2陶（táo）瓷刀具的磨損機製表現為黏著磨損（sǔn）和磨料磨（mó）損；而在高速（sù）幹（gàn）切削時，刀具的磨損機製表現（xiàn）為氧化磨損，刀（dāo）具表麵經由摩擦化學反應生成的反應膜（mó）起到固體潤滑作用，使刀具的（de）耐磨性能（néng）提高（gāo），隨著TiB2含量和切削速度的增加，反應膜的減摩抗磨作（zuò）用增強。

姚淑卿等研究了添（tiān）加不同第二相的（de）3種Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦學性（xìng）能及機製（zhì），研究（jiū）表明（míng）：Al2O3基陶（táo）瓷刀具（jù）材料的摩擦學特性與添加劑的種類有關，其抗磨性能（néng）由大到（dào）小順序依（yī）次為Al2O3/SiCw，Al2O3/Ti(C,N)，Al2O3/TiC；且材料的摩擦學性能與其硬度(H)、彈性模量(E)和斷裂韌性(KIC)有關（guān），磨損（sǔn）率W隨E/H增加而增大，隨（suí）KIC增加而減小；Al2O3/TiC陶瓷（cí）刀具材料的磨損機製以黏著（zhe）磨損為主，Al2O3/Ti(C,N)和Al2O3/SiCw陶瓷刀具材料的磨損機製以磨粒磨損為主（zhǔ）。

總結

材（cái）料的摩擦（cā）磨損性能是一個綜合性（xìng）能的表現，受眾多因素影響。但各方麵研究都表明，細化晶粒和組分複合（hé）化確實能夠有效提高氧化鋁陶瓷材料的強度和斷裂韌性，進而提升其摩擦學性能。若該方麵的研（yán）究可繼續精進（jìn），必能（néng）有（yǒu）效（xiào）推動氧化鋁（lǚ）陶瓷材料在各個領域中的進一步應（yīng）用（yòng）。

“摩擦”是一種相當（dāng）常見的現象，時時刻刻伴隨著人類（lèi）的活動，如走路需要摩擦、汽車的行駛需要摩擦、火車的奔跑也需要摩擦（cā）。這種相對運（yùn）動造成的物理現象看似對人類很（hěn）友善，但其實也經常露出猙獰的一麵。

比如說在工業上，兩個物體之間的“摩擦”往往是有害的，會導致物體接觸表麵的磨損，嚴重的磨損甚至（zhì）會使得正常工作的運動機構失效（xiào）。為了應對這個工業大敵，人（rén）們（men）往往會（huì）使用具（jù）備優（yōu）良耐磨性能的先進陶瓷材料（liào）作（zuò）為普通金屬或（huò）塑（sù）料的代替，或（huò）在易損工件的表（biǎo）麵覆蓋上耐磨陶瓷提高其耐（nài）久性能。

與普（pǔ）通金屬或塑料相比（bǐ），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（dà）降（jiàng）低設備的負荷。而在這其中，氧化鋁陶瓷（cí）因具有十分親民的價格，相當適合工業應用，已成（chéng）為該領域最常使用的耐磨材料之一，在礦石破碎處理係統、原（yuán）材料粉磨係統、高速（sù）切削等比較“狂（kuáng）野奔放”的場合隨（suí）處可見。