一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用

1.本发明涉及高熵陶瓷材料摩擦学设计研究领域，尤其涉及一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用。


背景技术：

2.传统陶瓷材料具有熔点高、硬度高、蠕变小、化学和热稳定性好的特性，因而具有优异的耐磨损、抗氧化、耐腐蚀、耐髙温、隔热、绝缘等特点，广泛应用于空间技术、密封部件、发动机关键部件、高效高速切削工具等领域，成为耐磨部件用材料的最佳选择之一。但是，传统的陶瓷一般都属于耐磨材料，即在摩擦过程中，由于本身的高硬度，陶瓷对摩擦对偶的磨损较为严重，摩擦副之间也表现出高的摩擦系数。因此，陶瓷材料的摩擦磨损性能日益受到人们的重视。
3.近年来，随着高熵材料的不断发展，在高度无序的多组分系统中，一些高熵陶瓷材料表现出非常良好的摩擦学性能，这是由于高熵陶瓷的力学性能可以通过不同尺寸的元素（固溶强化）引起的晶格畸变增强，也可通过纳米颗粒阻碍位错运动得以增强，这就使得一些高熵陶瓷不但具有更优异的力学性能，而且在摩擦过程中表现出比传统陶瓷更优异的摩擦学性能。因此，高熵氧化物的多元组分之间的固溶强化，加之其缓慢的扩散而具有好的组分均匀性和更优异的力学特性，从而在一些苛刻工况下作为耐磨损陶瓷材料具有重要应用前景。
4.2015年，一种新型高熵氧化物陶瓷（high entropy oxides, heo）(mg
0.2
co
0.2
ni
0.2
zn
0.2
cu
0.2
)o被报道，明确论证了熵驱动下系统由多相转变为均一单相系统的例子，并定义
ꢀ“
熵稳定氧化物”的概念，随后，对高熵陶瓷材料的研究工作大量涌现，日益成为新的研究热点。高熵氧化物陶瓷按照晶体结构包括岩盐型、萤石型、钙钛矿型、烧绿石型、尖晶石型等多种体系，由于其优于传统氧化物陶瓷的特殊性能而被广泛研究，如大的介电常数、高的热稳定性、较低的热导率、独特的磁学性能、优异的催化储能特性等。而随着我国航空航天、海洋工程、核能等高技术的飞速发展，机械部件的运行工况越来越苛刻，条件越来越复杂，涉及高载、高速、高/低温交变、强腐蚀、特殊介质等极端环境和工况，其摩擦、磨损和润滑问题已成为影响机械系统可靠性和寿命的瓶颈；而氧化物高熵陶瓷材料目前在其耐热稳定性，热防护性等方面研究广泛，而就其相关的摩擦学特性研究较少。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用。
6.为解决上述问题，本发明所述的一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用，其特征在于：在室温大气条件下，该高熵陶瓷材料与摩擦副进行摩擦后摩擦系数在0.25~0.55之间，磨损率在7.8
×
10-8
mm3/n
·
m~5.8
×
10-5
mm3/n
·
m之间。
7.所述高熵陶瓷材料具有萤石结构，其致密度达到97%以上，硬度hv
1000g
＞9.2gpa，且
陶瓷晶粒平均尺寸为4~6 μm。
8.所述摩擦副是指氧化铝、碳化钨、氮化硅、316l不锈钢球中的一种。
9.所述高熵陶瓷材料呈块体，其化学组成为 (la-nd-sm-eu-gd)2ce2o7，由ceo2，la2o3，nd2o3，sm2o3，eu2o3和gd2o3共6种稀土氧化物制得；其中：ceo2的摩尔分数为66.66%，其余五种三价稀土氧化物的摩尔分数相同或相异。
10.所述高熵陶瓷材料中五种三价氧化物的摩尔分数范围为5.00%~8.33%。
11.所述高熵陶瓷材料中三价稀土元素的平均离子半径与ce
4
离子半径之比为1.26。
12.所述高熵陶瓷材料按下述方法制备：
⑴
将ceo2，la2o3，nd2o3，sm2o3，eu2o3和gd2o3共6种稀土氧化物粉末混合后，放入氧化锆球磨罐进行球磨，得到浆料；该浆料经充分干燥并过800目筛后装入氧化铝坩埚，并置于马弗炉中预烧，得到预烧粉末；
⑵
所述预烧粉末经球磨、过1250目筛，得到粉末粒径小于2μm的高熵陶瓷预烧粉；
⑶
所述高熵陶瓷预烧粉置于模具中，经压块机压制成高熵陶瓷坯体，该高熵陶瓷坯体放入马弗炉中进行致密化烧结，即得具有优异耐磨损萤石结构的高熵陶瓷材料。
13.所述步骤
⑴
中球磨的条件是指球磨介质为无水乙醇，转速为300~400r/min，球磨时间为12~30h；预烧的条件是指温度为1300℃~1450℃，时间为5~10h，升温速率为5~10℃/min。
14.所述步骤
⑵
中球磨的条件是指球磨介质为无水乙醇，转速为300~400r/min，球磨时间为20~30h。
15.所述步骤
⑶
中压块机压力为6~8mpa，压制时间为60s~120s；致密化烧结条件是指烧结温度为1480℃~1550℃，升温速度为2~5℃/min，保温时间为10~30h。
16.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明设计和合成了萤石结构高熵铈酸盐陶瓷材料，将多种稀土氧化物陶瓷高熵化后，通过严格的制备工艺，获得了优异的摩擦学性能（表1），从真正意义上实现了新型高熵氧化物陶瓷材料功能化的发展需求。
17.表1：本发明萤石结构高熵陶瓷块体与不同材质摩擦配副的摩擦系数和磨损率由表1可以看出，该高熵陶瓷在与不同摩擦副摩擦时，表现出比传统氧化物陶瓷材料更优异的摩擦学性能，不但自身表现出优异的耐磨性能（磨损率低），而且所构成的摩擦副之间也具有更低的摩擦系数。
18.2、本发明制得的萤石结构高熵陶瓷粉末和块体均呈单相的简单面心立方萤石结构（参见图1）；且获得的预烧粉末和压制的高致密高硬度块体陶瓷的形貌，经扫描电子显微镜观察，预烧粉末粒径均＜2μm（参见图2），高熵陶瓷整体材料表面平均晶粒约为5 μm（参见图3），而且陶瓷材料表面致密，无明显气孔。
19.3、本发明中制备的萤石结构高熵陶瓷不但致密度高，而且具有高的硬度，且具有组分可调空间，从而表现出较强的实用性和价值，且制作流程简单可行、易于实现规模化的
生产。
附图说明
20.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
21.图1为本发明制备的萤石结构高熵陶瓷粉末和块体的x射线衍射图。
22.图2为本发明制备的萤石结构高熵陶瓷预烧粉末的扫描电镜图。
23.图3为本发明制备的萤石结构高熵陶瓷块体的扫描电镜形貌图。
24.图4为本发明制备的萤石结构高熵陶瓷块体的实时摩擦曲线图。其中：a为(la
0.20
nd
0.20
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.20
)2ce2o7；b为(la
0.25
nd
0.15
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.20
)2ce2o7；c为la
0.25
nd
0.20
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.15
)2ce2o7；d为(la
0.20
nd
0.22
sm
0.21
eu
0.18
gd
0.19
)2ce2o7。
具体实施方式
25.一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用：在室温大气条件下，该高熵陶瓷材料与摩擦副进行摩擦后摩擦系数在0.25~0.55之间，磨损率在7.8
×
10-8
mm3/n
·
m~5.8
×
10-5
mm3/n
·
m之间。
26.其中：高熵陶瓷材料具有萤石结构，其致密度达到97%以上，硬度hv
1000g
＞9.2gpa，且陶瓷晶粒平均尺寸为4~6 μm。
27.摩擦副是指氧化铝、碳化钨、氮化硅、316l不锈钢球中的一种。
28.高熵陶瓷材料呈块体，其化学组成为 (la-nd-sm-eu-gd)2ce2o7，由ceo2，la2o3，nd2o3，sm2o3，eu2o3和gd2o3共6种稀土氧化物制得；其中：ceo2的摩尔分数为66.66%，其余五种三价稀土氧化物的摩尔分数相同或相异，五种三价氧化物的摩尔分数范围优选为5.00%~8.33%。
29.高熵陶瓷材料中三价稀土元素的平均离子半径与ce
4
离子半径之比为1.26。
30.该高熵陶瓷材料按下述方法制备：
⑴
将ceo2，la2o3，nd2o3，sm2o3，eu2o3和gd2o3共6种稀土氧化物粉末混合后，放入氧化锆球磨罐进行球磨，球磨介质为无水乙醇，转速为300~400r/min，球磨时间为12~30h，球磨后得到浆料；该浆料经充分干燥并过800目筛后装入氧化铝坩埚，并置于马弗炉中于1300℃~1450℃预烧5~10h，升温速率5~10℃/min，得到预烧粉末。
31.⑵
预烧粉末在球磨介质为无水乙醇、转速为300~400r/min，球磨时间为20~30h的条件下球磨后过1250目筛，得到粉末粒径小于2μm的高熵陶瓷预烧粉。
32.⑶
高熵陶瓷预烧粉置于模具中，经压块机压制成高熵陶瓷坯体，压力为6~8mpa，压制时间为60s~120s。该高熵陶瓷坯体放入马弗炉中进行致密化烧结，烧结温度1480℃~1550℃，升温速度2~5℃/min，保温时间10~30h，即得具有优异耐磨损萤石结构的高熵陶瓷材料。
33.本发明中所用稀土氧化物和氧化铈粉末纯度均为99.9%以上的分析纯。
34.实施例1 一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用：在室温大气条件下，用csm球盘摩擦磨损实验机表征萤石结构高熵陶瓷材料的摩擦学性能，摩擦对偶为φ6mm的316l不锈钢球，摩擦载荷为5 n，摩擦速度10 cm/s，其摩擦配副之间的摩擦系数约为0.53，萤石结构高熵陶瓷（(la
0.20
nd
0.20
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.20
)2ce2o7）的磨损率为3.8
×
10-5 mm3/n
·
m。图4中的（a）曲线给出了摩擦时的实时摩擦曲线。
35.其中：高熵陶瓷材料为la
0.20
nd
0.20
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.20
)2ce2o7，其摩尔百分数分别为：ceo2：66.66%，la2o3：6.66%，nd2o3：6.67%，sm2o3：6.67%，eu2o3：6.67%和gd2o3：6.67%。三价稀土元素的平均离子半径与ce
4
离子半径之比为1.26；所获得的萤石结构高熵陶瓷整体材料的致密度约为97.2%，硬度hv
1000g
≈9.8gpa。
36.该高熵陶瓷材料按下述方法制备：
⑴
将ceo2，la2o3，nd2o3，sm2o3，eu2o3和gd2o3共6种稀土氧化物粉末混合后，放入氧化锆球磨罐进行球磨，球磨介质为无水乙醇，转速为400r/min，球磨时间为12h，球磨后得到浆料；该浆料经充分干燥并过800目筛后装入氧化铝坩埚，并置于马弗炉中于1300℃预烧10h，升温速率10℃/min，得到预烧粉末。
37.⑵
预烧粉末在球磨介质为无水乙醇、转速为400r/min，球磨时间为30h的条件下球磨后过1250目筛，得到粉末粒径约1μm的高熵陶瓷预烧粉。
38.⑶
高熵陶瓷预烧粉置于模具中，经压块机压制成高熵陶瓷坯体，压力为8mpa，压制时间为60s。该高熵陶瓷坯体放入马弗炉中进行致密化烧结，烧结温度1550℃，升温速度5℃/min，保温时间15h，即得具有优异耐磨损萤石结构的高熵陶瓷材料，其材料表面平均晶粒约为5 μm。
39.实施例2 一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用：在室温大气条件下，用csm球盘摩擦磨损实验机表征萤石结构高熵陶瓷材料的摩擦学性能，摩擦对偶为φ6mm的al2o3球，摩擦载荷为5 n，摩擦速度 10 cm/s，其摩擦配副之间的摩擦系数约为0.27，萤石结构高熵陶瓷（(la
0.25
nd
0.15
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.20
)2ce2o7）的磨损率为4.3
×
10-7 mm3/n
·
m。图4中的（b）曲线给出了摩擦时的实时摩擦曲线。
40.其中：高熵陶瓷材料为(la
0.25
nd
0.15
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.20
)2ce2o7，其摩尔百分数分别为：ceo2：66.66%，la2o3：8.33%，nd2o3：5.00%，sm2o3：6.67%，eu2o3：6.67%和gd2o3：6.67%。三价稀土元素的平均离子半径与ce
4
离子半径之比为1.26；所获得的萤石结构高熵陶瓷整体材料的致密度约为98.2%，硬度hv
1000g
≈9.3gpa。
41.该高熵陶瓷材料按下述方法制备：
⑴
将ceo2，la2o3，nd2o3，sm2o3，eu2o3和gd2o3共6种稀土氧化物粉末混合后，放入氧化锆球磨罐进行球磨，球磨介质为无水乙醇，转速为300r/min，球磨时间为12h，球磨后得到浆料；该浆料经充分干燥并过800目筛后装入氧化铝坩埚，并置于马弗炉中于1300℃预烧5h，升温速率5℃/min，得到预烧粉末。
42.⑵
预烧粉末在球磨介质为无水乙醇、转速为300r/min，球磨时间为20h的条件下球磨后过1250目筛，得到粉末粒径小于2μm的高熵陶瓷预烧粉。
43.⑶
高熵陶瓷预烧粉置于模具中，经压块机压制成高熵陶瓷坯体，压力为6mpa，压制时间为120s。该高熵陶瓷坯体放入马弗炉中进行致密化烧结，烧结温度1480℃，升温速度2℃/min，保温时间30h，即得具有优异耐磨损萤石结构的高熵陶瓷材料，其材料表面平均晶粒约为5 μm。
44.实施例3 一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用：在室温大气条件下，用csm球盘摩擦磨损实验机表征萤石结构高熵陶瓷材料的摩擦学性能，摩擦对偶为φ6mm的si3n4球，摩擦载荷为5 n，摩擦速度 10 cm/s，其摩擦配副之间的摩擦系数约为0.52，萤石结构高熵陶瓷（(la
0.25
nd
0.20
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.15
)2ce2o7）的磨损率为8.5
×
10-6 mm3/n
·
m。图4中的
（c）曲线给出了摩擦时的实时摩擦曲线。
45.其中：高熵陶瓷材料为(la
0.25
nd
0.20
sm
0.20
eu
0.20
gd
0.15
)2ce2o7，其摩尔百分数分别为：ceo2：66.66%，la2o3：8.33%，nd2o3：6.67%，sm2o3：6.67%，eu2o3：6.67%和gd2o3：5.00%。三价稀土元素的平均离子半径与ce
4
离子半径之比为1.26；所获得的萤石结构高熵陶瓷整体材料的致密度约为98.5%，硬度hv
1000g
≈10.0gpa；该高熵陶瓷材料按下述方法制备：
⑴
将ceo2，la2o3，nd2o3，sm2o3，eu2o3和gd2o3共6种稀土氧化物粉末混合后，放入氧化锆球磨罐进行球磨，球磨介质为无水乙醇，转速为400r/min，球磨时间为18h，球磨后得到浆料；该浆料经充分干燥并过800目筛后装入氧化铝坩埚，并置于马弗炉中于1380℃预烧7h，升温速率5℃/min，得到预烧粉末。
46.⑵
预烧粉末在球磨介质为无水乙醇、转速为400r/min，球磨时间为20h的条件下球磨后过1250目筛，得到粉末粒径小于2μm的高熵陶瓷预烧粉。
47.⑶
高熵陶瓷预烧粉置于模具中，经压块机压制成高熵陶瓷坯体，压力为6mpa，压制时间为120s。该高熵陶瓷坯体放入马弗炉中进行致密化烧结，烧结温度1480℃，升温速度2℃/min，保温时间30h，即得具有优异耐磨损萤石结构的高熵陶瓷材料，其材料表面平均晶粒约为5 μm。
48.实施例4 一种优异耐磨损萤石结构高熵陶瓷材料的应用：在室温大气条件下，用csm球盘摩擦磨损实验机表征萤石结构高熵陶瓷材料的摩擦学性能，摩擦对偶为φ6mm的wc球，摩擦载荷为5 n，摩擦速度 10 cm/s，其摩擦配副之间的摩擦系数约为0.38，萤石结构高熵陶瓷（(la
0.20
nd
0.22
sm
0.21
eu
0.18
gd
0.19
)2ce2o7）的磨损率为7.8
×
10-8 mm3/n
·
m。图4中的（d）曲线给出了摩擦时的实时摩擦曲线。
49.其中：高熵陶瓷材料为(la
0.20
nd
0.22
sm
0.21
eu
0.18
gd
0.19
)2ce2o7，其摩尔百分数分别为：ceo2：66.66%，la2o3：6.68%，nd2o3：7.33%，sm2o3：7.00%，eu2o3：6.00%和gd2o3：6.33%。三价稀土元素的平均离子半径与ce
4
离子半径之比为1.26；所获得的萤石结构高熵陶瓷整体材料的致密度约为98.7%，硬度hv
1000g
≈9.9gpa；该高熵陶瓷材料按下述方法制备：
⑴
将ceo2，la2o3，nd2o3，sm2o3，eu2o3和gd2o3共6种稀土氧化物粉末混合后，放入氧化锆球磨罐进行球磨，球磨介质为无水乙醇，转速为400r/min，球磨时间为24h，球磨后得到浆料；该浆料经充分干燥并过800目筛后装入氧化铝坩埚，并置于马弗炉中于1400℃预烧10h，升温速率3℃/min，得到预烧粉末。
50.⑵
预烧粉末在球磨介质为无水乙醇、转速为400r/min，球磨时间为30h的条件下球磨后过1250目筛，得到粉末粒径小于2μm的高熵陶瓷预烧粉。
51.⑶
高熵陶瓷预烧粉置于模具中，经压块机压制成高熵陶瓷坯体，压力为8mpa，压制时间为90s。该高熵陶瓷坯体放入马弗炉中进行致密化烧结，烧结温度1480℃，升温速度5℃/min，保温时间24h，即得具有优异耐磨损萤石结构的高熵陶瓷材料，其材料表面平均晶粒约为5 μm。