Come vengono raffinati i materiali ceramici tecnici scivolosi?
Le ceramiche strutturali sono ampiamente utilizzate in varie condizioni grazie alla loro elevata durezza, resistenza, rigidità, bassa densità, eccellente stabilità chimica e ottime proprietà meccaniche ad alta temperatura, e sono diventate uno dei migliori componenti resistenti all'usura.
Tuttavia, in condizioni di attrito secco, il fattore di attrito e il tasso di usura sono più elevati quando i materiali ceramici sono accoppiati con ceramica o metallo. Le ricerche dimostrano che il fattore di attrito è generalmente compreso tra 0,7 e 0,9 ed è facile che si guasti a causa di una forte usura. Pertanto, la realizzazione di una lubrificazione efficace o di un'autolubrificazione dei materiali ceramici è di grande importanza per estendere la loro applicazione ingegneristica.
Tecnologia tradizionale di lubrificazione e autolubrificazione della ceramica
Attualmente, le ceramiche a struttura comune utilizzate in ingegneria sono principalmente lubrificate da liquidi, grassi e lubrificanti. Tuttavia, questi metodi di lubrificazione tradizionali presentano molte carenze. Ad esempio, gli additivi presenti nei lubrificanti non interagiscono con la superficie della ceramica e quindi non formano un film limite che possa entrare completamente in contatto; la viscosità dei lubrificanti esistenti diminuisce esponenzialmente con l'aumento della temperatura, con conseguente contatto diretto con i microcorpi convessi; l'attenuazione delle proprietà del lubrificante liquido si verifica facilmente ad alta temperatura; l'uso del lubrificante provoca un certo inquinamento dell'ambiente.
Lo studio delle ceramiche autolubrificanti fornisce un modo importante ed efficace per risolvere il problema dell'elevato fattore di attrito e del tasso di usura dei materiali ceramici.
Le modalità di realizzazione della funzione autolubrificante dei materiali ceramici
Attualmente, i materiali ceramici autolubrificanti possono essere realizzati in tre modi.
1. La base di un singolo materiale è autolubrificante.
Alcuni materiali ceramici stessi (coppia auto-accoppiata) possono produrre fenomeni di autolubrificazione in determinate condizioni. In genere, il motivo è che la reazione tribologica si verifica o le prestazioni autolubrificanti si realizzano sotto l'azione ausiliaria del mezzo lubrificante esterno.
Ad esempio, le ceramiche di allumina sono ampiamente utilizzate come materiali resistenti all'usura e sono stati pubblicati molti risultati di ricerca sulle loro proprietà tribologiche ad alta temperatura. I risultati della ricerca mostrano che a 1000 ℃, l'allumina è diminuita dal momento che l'accoppiamento nel processo di usura da attrito, l'attrito si verifica sulla superficie della ricristallizzazione dinamica e ha formato una struttura a grani fini. Inoltre, è emerso che la formazione di materiale vetroso, la struttura cristallina fine e il materiale vetroso riducono la rugosità dell'interfaccia di contatto per attrito e migliorano le proprietà tribologiche.
2. La reazione organica genera sostanze lubrificanti in determinate condizioni
Alcuni materiali autolubrificanti sfruttano gli additivi dei materiali per reagire tra loro in determinate condizioni o reagire con l'ossigeno dell'aria per formare sostanze con funzione lubrificante e trascinare il film sulla superficie di attrito per raggiungere lo scopo della lubrificazione. I materiali ottenuti con questo metodo possono evitare l'effetto negativo dell'aggiunta di lubrificante solido sulle proprietà meccaniche dei materiali. Il film di lubrificazione può essere prodotto solo attraverso la reazione chimica di attrito ad alta temperatura della superficie del materiale, quindi questo materiale ceramico autolubrificante ha una buona capacità autolubrificante in caso di attrito ad alta temperatura.
3. Il lubrificante solido viene aggiunto direttamente alla matrice del materiale
Attualmente, la funzione autolubrificante della maggior parte dei materiali autolubrificanti viene realizzata aggiungendo un certo numero di lubrificanti solidi alla matrice del materiale, che è anche il punto caldo delle ricerche attuali.
* Lubrificanti solidi comuni
I lubrificanti solidi più comuni includono grafite, HBN, bisolfuro di molibdeno (MoS2), fluoruro di grafite, fluoruro di calcio (CaF2), ecc. Tra questi, l'HBN ha una migliore stabilità alle alte temperature e prestazioni di lubrificazione. Sebbene MoS2, grafite e HBN abbiano strutture stratificate simili, sotto l'azione dell'attrito i cristalli dei primi due si rompono facilmente e le particelle fini di cristallo possono facilmente subire la reazione chimica con i gas circostanti e quindi deteriorarsi, con conseguenti scarse prestazioni di lubrificazione. L'HBN ha un'elevata durezza e non si rompe facilmente nel processo di attrito, mentre i materiali di lubrificazione in HBN bianco non causano un inquinamento simile a quello della grafite.
* Studio sulle caratteristiche di autolubrificazione delle ceramiche al nitruro di silicio
Le ceramicheal nitruro di silicio hanno un basso fattore di attrito e un'eccellente capacità di autolubrificazione; il fattore di attrito è compreso tra 0,02 e 0,35. Il coefficiente di espansione termica del materiale è ridotto, simile a quello del carburo di silicio (SiC), dello zirconio e della mullite. La ceramica di nitruro di silicio, con buona conducibilità termica e resistenza sismica, è una buona ceramica resistente al calore.
* Studio sulle caratteristiche di autolubrificazione delle ceramiche di zirconio
Le ceramiche a basedi zirconio hanno la migliore stabilità termica e le migliori prestazioni di isolamento termico ad alta temperatura, e sono adatte per il rivestimento ceramico e per i materiali resistenti all'usura ad alta temperatura. Il fattore di attrito è però troppo elevato e ne limita l'applicazione. Con l'approfondimento della ricerca sui materiali ceramici a base di zirconio, la ricerca tribologica è particolarmente necessaria. Attraverso la ricerca sui materiali ceramici di zirconio con il lubrificante solido, diventa possibile applicarli come materiali di attrito ad alta temperatura.
