高温超导材料YBa2Cu3O7及其复合材料的摩擦学特性研究

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随着宇宙空间技术的发展,对空间机械润滑的要求日益提高。空间机械的许多部件都是在真空、高温、超低温和特种腐蚀介质中工作的,如液氢泵、液氧泵轴承等都是在绝对温度100K下工作,因此,在极端工作条件下的润滑问题是摩擦领域的重要课题。因此,研究开发具有优异综合性能的新型材料是十分重要而又迫切的。在机理研究方面,1986年起J·Krim等利用石英晶体微天平(QCM)研究铅表面和在其上流动的氮气分子的界面摩擦,发现当温度到达铅的超导转变温度(Tc=7.2K)时摩擦力突然大幅降低,提出了电子对于摩擦的贡献。随后Kuleba等也研究了超导转变对于超导体摩擦性能的影响,并利用多种纯金属如Ag、Au薄膜的低温试验证实了该理论。从理论上说,Krim等的试验是特殊设计的,根据QCM的频率随温度的变化,用受迫振动的微分方程和量子力学公式计算出氮气在金属表面流动的粘滞阻力(摩擦力),该试验不考虑磨损的能量损耗(称之为界面摩擦)。而我们的研究目的是验证在一般的摩擦试验中能否观察到电子对摩擦的贡献,同时利用这一理论,设计新型的固体润滑复合材料。从实用角度考虑,纯金属的超导转变温度很低(液氦温度),难以实际应用。而高温超导材料YBa2Cu3O7-δ(YBCO)的超导转变温度Tc>90K,液氮温度下可实现超导,且其具备和石墨,MoS2等固体润滑材料类似的层状结构。所以把它选作我们研究的材料。YBCO属于陶瓷材料,脆性大,难以加工是其致命的弱点。近来,一些研究报道了添加银在YBCO中对其机械和超导性能上的影响。掺杂金属银对YBCO的超导电性没有不利影响,还可改善其陶瓷脆性,但对其摩擦学性能研究甚少。本研究利用粉末冶金法制备出了组织均匀的YBCO-Ag自润滑复合材料,采用XRD和SEM对其物相结构和显微组织进行了表征。为了便于比较,银分别以金属银粉和硝酸银晶体两种方式掺杂到基体中。并重点检测了其力学性能,分别研究了其在低温,常温常压,真空及高温环境下的摩擦性能,探讨了其增韧机理和摩擦机理。分析了不同含量银添加在YBCO基体中微观结构变化及相关力学性能和摩擦性能方面的作用。研究结果表明:(1)复合材料样品的密度和断裂韧性都随银含量的增加而增大,而硬度随银含量的增加而减小,可能由于银的添加产生强化机理。银颗粒可以通过偏转和弥合来抑制裂纹扩展,并连接裂纹尖端。此外,银的添加对YBCO超导体的临界电流密度没有不利影响。(2)纯YBCO在温度降低到超导转变温度时摩擦系数急剧降低,在正常态时摩擦系数在0.4左右,在液氮温度下,摩擦系数急剧降低到0.15。(3)YBCO-Ag自润滑复合材料具有优良的摩擦学性能,常温常压下由银制备的复合材料中银含量达10%时复合材料的摩擦磨损性能最好,由AgNO3制备的复合材料中银含量达5%时复合材料的摩擦磨损性能就达到最好,真空环境下复合材料的摩擦系数随银含量增加而减小,基本不随滑行速度变化而变化。从常温到高温时纯YBCO的摩擦系数随温度的增加显著下降,而当YBCO掺杂了银时,温度对复合材料的摩擦系数影响不大。(4)由AgNO3晶体制备出的复合材料基体内银微粒的粒径更小,分布更加均匀,团聚少,宏观上表现出更好的综合性能。
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