【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機械零部件苛刻的服役條件對材料性能的要求也越來越嚴(yán)苛。為了適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)對材料性能的要求,膠黏陶瓷涂層也需要進(jìn)一步提高其耐磨減摩、耐腐蝕以及涂層/基體結(jié)合強度等特性。本文基于上述問題展開研究,為膠黏陶瓷涂層的發(fā)展與推廣提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。首先,運用熱力學(xué)理論知識對氧化鋁體系膠黏陶瓷涂層固化成型進(jìn)行理論分析,分別確定了氧化鋁體系膠黏陶瓷涂層溶解度與體系pH和溫度的溶解度模型,從而確定膠黏陶瓷涂層的固化工藝。并通過XRD、Raman和DSC等分析手段確定膠黏陶瓷涂層固化機制。實驗結(jié)果同時表明,在膠黏陶瓷涂層中植入的石墨烯并未參與固化反應(yīng)。其次,本文分別對植入納米氧化鋁以及石墨烯添加劑的膠黏陶瓷涂層進(jìn)行電化學(xué)試驗研究。試驗結(jié)果表明,納米氧化鋁和石墨烯均可以有效地提高膠黏陶瓷涂層的耐腐蝕性能,而且隨著納米氧化鋁及石墨烯含量的增加,其耐腐蝕性能也相應(yīng)地增加。然而對比兩組試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),石墨烯在提高涂層耐腐蝕性能方面明顯優(yōu)于納米氧化鋁。借助SEM,Raman,EDS等分析方法,確定了納米氧化鋁以及石墨烯添加劑對于膠黏陶瓷涂層耐腐蝕特性的影響機制。由于納米顆粒較大的比表面積,吸引其它粒子與其結(jié)合,而且顆粒之間存在很強的物理結(jié)合力。因此相互結(jié)合的粒子可以看作為以物理結(jié)合牢靠的大顆粒。首先牢靠的物理結(jié)合可以減少裂紋、孔隙等缺陷的萌生;其次當(dāng)產(chǎn)生的裂紋遇到結(jié)合牢靠的大顆粒,無法擊穿大顆粒,其擴展方向極易發(fā)生偏轉(zhuǎn),這將消耗部分?jǐn)嗔涯懿⒔档土鸭y尖端的應(yīng)力強度因子,從而阻止裂紋繼續(xù)擴展,改善涂層的微觀結(jié)構(gòu),減少裂紋,孔隙等缺陷的萌生,有效地阻止基體表面金屬原子與O2、H2O和Cl-的接觸,提高膠黏陶瓷涂層耐腐蝕性,可以更好的保護基體。石墨烯的添加,使得膠黏陶瓷涂層中分布一些片狀的陶瓷片,以及片狀的石墨烯。當(dāng)內(nèi)部裂紋產(chǎn)生時,裂紋擴展遇到這些高強度的片狀結(jié)構(gòu),擴展方向會受阻,裂紋被阻斷或被迫改變裂紋方向,消耗斷裂能。O2、H2O和Cl-通過受阻斷的裂紋擴散時將無法與基體接觸,通過改變方向的裂紋擴散時,由于改變方向的裂紋變得更彎曲更長,增加了O2、H2O和Cl-通過該裂紋擴散的阻力。除此以外,石墨烯片狀結(jié)構(gòu)同樣可以橋接裂紋兩端,阻止裂紋寬度變大,提高陶瓷涂層的耐腐蝕性。通過對涂層進(jìn)行線性往復(fù)摩擦磨損試驗,發(fā)現(xiàn)石墨烯可以有效地降低涂層的摩擦系數(shù)及磨損量。對磨痕表面進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)及元素分析,確定了石墨烯對于膠黏陶瓷涂層摩擦系數(shù)及磨損量的影響機制。石墨烯對膠黏陶瓷涂層摩擦系數(shù)的影響機制主要包含兩方面:其一,植入石墨烯,較未添加石墨烯的膠黏陶瓷涂層可以形成光滑的磨痕,光滑的磨痕可以減小接觸粗糙峰的壓力,降低摩擦接觸面間的剪切強度,從而降低涂層的摩擦系數(shù);此外,植入石墨烯,在發(fā)生摩擦?xí)r,基體的石墨烯會被擠出,在磨痕表面形成多層石墨烯潤滑膜,由于石墨烯層與層之間較小的剪切強度,降低涂層的摩擦系數(shù)。石墨烯對于膠黏陶瓷涂層磨損量的影響機制主要包括三個方面:首先,相比未添加石墨烯的膠黏陶瓷涂層,植入石墨烯的涂層磨痕表面相對光滑,光滑的磨痕表面可以減小與對磨小球接觸的粗糙峰的壓力,降低涂層的磨損量;其次,植入石墨烯使得磨痕表面形成多層石墨烯潤滑膜,基體中陶瓷骨料與對磨小球的接觸面積減小,從而降低陶瓷骨料的磨損量;最后,石墨烯的添加可以顯著提高涂層的韌性等力學(xué)性能,從而降低涂層內(nèi)裂紋等缺陷的萌生,使得涂層基體很難被剝落,因此降低了涂層的磨損量。通過引入摩擦切向力作用,改進(jìn)了摩擦過程中實際接觸面積模型。并借鑒ZMC模型,創(chuàng)造性的提出從基體中擠出的固體潤滑劑的量在彈性變形、彈塑性變形以及塑性變形階段都是連續(xù)的,建立了植入固體潤滑劑涂層的摩擦系數(shù)模型,模型結(jié)果與前人的研究以及本文試驗數(shù)據(jù)相吻合,驗證了模型的可靠性。由模型預(yù)測結(jié)果可知:摩擦系數(shù)隨著潤滑劑的含量增加呈線性減小趨勢,隨法向載荷增大呈先減小后不變的趨勢。本模型為摩擦學(xué)學(xué)科,尤其是植入石墨烯等潤滑添加劑的復(fù)合材料,提供一種更可靠精確的真實接觸面模型以及摩擦系數(shù)模型。最后,本文針對涂層/基體結(jié)合強度問題展開研究。采用有限元分析技術(shù),發(fā)現(xiàn)在涂層與基體之間添加過渡層可顯著降低涂層體系內(nèi)剪切應(yīng)力突變情況,涂層/基體結(jié)合強度也因此得到提高�；诖�,本文研究了涂層厚度、過渡層厚度及彈性模量對于涂層體系內(nèi)剪應(yīng)力分布的影響規(guī)律。為涂層的設(shè)計、過渡層的選擇與設(shè)計提供理論依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG174.453

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2299895