Ag/GdBa2Cu3O7-δ復合材料的制備及摩擦性能

董麗榮 董晨雨3 李長生2 邢 瀚3 李新月3 華 中

(1.吉林師范大學功能材料物理與化學教育部重點實驗室 吉林四平 136000;2.江蘇大學材料摩擦學省重點實驗室 江蘇鎮江 212013;3.吉林師范大學物理學院 吉林四平 136000)

釔鋇銅氧YBa2Cu3O7-δ的超導轉變溫度Tc在液氮溫度以上大于90 K[1]，屬于氧化物高溫超導陶瓷材料。日本研究者報道在600～1 000 ℃溫度范圍內，釔鋇銅氧摩擦因數在0.2左右[2]。KULEBA等[3]對釔鋇銅氧的低溫摩擦特性研究表明，在Tc溫度下，其摩擦因數是大幅度降低的。FANG和DANYLUK[4]對釔鋇銅氧摩擦因數進行測量，在常溫下其值在 0.4～0.6之間，在高溫700 ℃時，摩擦因數為0.2。DING等[5]用釔鋇銅氧證明電子對摩擦作用。文獻[6-8]對高溫超導體RBaCuO(R=Y, Dy, Sm等稀土元素)和鉍鍶鈣銅氧的摩擦性能進行了報道。對高溫超導體摩擦學性能研究具有很強的實用價值，該類材廣泛應用在電力、交通、醫療、化工等行業。

Gd屬于稀土元素，用三價Gd3+離子替代釔鋇銅氧YBa2Cu3O7-δ中的Y3+離子，得到GdBa2Cu3O7-δ(GdBaCuO)材料，GdBaCuO的Tc也在90 K以上[9]，與釔鋇銅氧的組織結構和性能具有相似性，屬于高溫超導陶瓷材料。銀是軟金屬，是固體潤滑材料，在高溫超導材料中添加金屬銀，材料的超導電性不會改變，但物理性能得到很大改善[10-13]。本文作者利用固相法制備了Ag/GdBaCuO復合材料樣品，分析其結構和形貌，檢測其力學性能，并在常溫下研究Ag/GdBaCuO樣品與對偶件鋼的摩擦性能。

1 實驗部分

根據GdBa2Cu3O7-δ化學式，以Gd、Ba、Cu金屬離子量比為1∶2∶3稱取試劑Gd2O3、BaCO3、CuO(純度大于99.9%)混合，研磨后放到箱式電爐中，燒結10 h，燒結溫度為920 ℃。此過程重復3次，讓其發生固相反應，生成GdBaCuO黑色粉體。取純度大于99.9%銀粉，分別按0、5%、10%、15%、20%(質量分數，下同)加入到 GdBaCuO黑色粉體中，在700 MPa壓力下，將混合粉體壓成φ6 mm×10 mm圓柱體，再將壓制試樣放到電爐中在900 ℃下燒結10 h后，隨爐冷卻后移到管式爐中500 ℃下滲氧10 h，制成Ag/GdBaCuO復合材料樣品。

借助X射線分析儀(X-ray diffraction,XRD，D/MAX2500VB3+/PC) 和掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscope, SEM，Hitachi S-570)分別對樣品進行物相、顯微組織分析。稱量法測量樣品密度和氣孔率，用硬度計(HVS-1000)測試樣品顯微硬度。用摩擦試驗機(SFT-4000型)測試Ag/GdBaCuO樣品的摩擦性能，試驗滑行速度為2.6、5.2、7.8、10.4、13.0 cm/s，載荷為12～16 N。對偶件是不銹鋼盤(尺寸60.5 mm×2.5 mm，硬度HRC62，粗糙度為0.8 μm), 采用銷盤式摩擦。用X射線能譜儀(PV-9900型)分析樣品摩擦前后表面的元素組成。根據樣品摩擦試驗后的質量損失計算磨損率。

2 結果及討論

2.1 物相組成

圖1所示是純GdBaCuO和添加不同質量分數銀的Ag/GdBaCuO樣品XRD圖。在添加銀的樣品中只有銀和GdBaCuO 2種物相，沒有其他雜相存在，且隨著銀含量增多，銀衍射峰增強。銀具有良好的化學穩定性，樣品Ag/GdBaCuO制備過程中，經900 ℃燒結后，銀和GdBaCuO不發生反應， GdBaCuO晶體結構沒有改變， GdBaCuO仍具有超導電性[14]。

圖1 純GdBaCuO和Ag/GdBaCuO樣品的XRD譜Fig 1 The XRD patterns of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples

2.2 顯微組織

圖2是10%Ag/GdBaCuO和15%Ag/GdBaCuO樣品斷面SEM圖,可觀察到GdBaCuO長方體的晶粒形狀，晶粒取向隨機分布，且晶粒較為粗大，樣品斷面上有一些孔隙存在；同時觀察到樣品斷面上存在穿晶斷裂，表明了陶瓷材料的脆性本質。從圖2(b)所示的15%Ag/GdBaCuO樣品中觀察到有小球狀的銀微粒分布在GdBaCuO基體的孔洞中。銀能提高陶瓷的密度，可以改善陶瓷力學性能。

圖2 10%Ag/GdBaCuO和15%Ag/GdBaCuO斷面的SEM圖Fig 2 SEM lmages of cross section of 10%Ag/GdBaCuO and 15%Ag/GdBaCuO samples

2.3 力學性能

圖3示出了是Ag/GdBaCuO樣品的硬度、密度隨銀含量的變化。在GdBaCuO中添加銀后，因銀能夠增強GdBaCuO晶粒間連接，因銀的密度比GdBaCuO的大，其硬度比GdBaCuO的小，使樣品的密度隨著銀添加量的增多逐漸增大，而硬度逐漸減小。

圖3 Ag/GdBaCuO樣品的硬度、密度隨銀含量的變化Fig 3 Variation of hardness(a)and density(b)of Ag/GdBaCuO samples with Ag content

另外，所制備的GdBaCuO和Ag/GdBaCuO樣品在液氮(-196 ℃)中降溫后，用永磁鐵測試都具有Meissner 效應，表現出超導體的特性。

2.4 摩擦學性能

圖4示出了室溫及載荷12 N下純GdBaCuO和Ag/GdBaCuO樣品在不同滑行速度下的摩擦因數。當速度由2.6 cm/s增大到7.8 cm/s時，純GdBaCuO摩擦因數由0.23上升到0.30,而最大銀添加量的樣品20%Ag/GdBaCuO的摩擦因數由0.15上升到0.25。當滑行速度由7.8 cm/s增大到13.0 cm/s時，純GdBaCuO摩擦因數由0.30上升到0.32，10%～20%Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數保持在0.25～0.27。添加銀的樣品都比純GdBaCuO的摩擦因數低，其中20%Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數最小。

圖4 不同滑行速度下純GdBaCuO和 Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數Fig 4 The friction coefficient of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples as function of sliding velocity

圖5示出了室溫及滑動速度2.6 cm/s下純GdBaCuO和Ag/GdBaCuO樣品在不同載荷下的摩擦因數。隨著載荷的增大，純GdBaCuO的摩擦因數由0.23上升到0.30之后又逐漸減小，達到最大載荷16 N時，摩擦因數為0.25。5%～20%Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數，在載荷為12～14 N時，隨著載荷增大而稍有增加；在載荷為14～16 N時，5%～15%Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數基本上是平穩的，摩擦因數為0.22左右。

圖5 不同載荷下純GdBaCuO和Ag/GdBaCuO的摩擦因數Fig 5 The friction coefficient of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples as function of load

表1給出了Ag/GdBaCuO樣品的磨損率, 測試條件為載荷12 N、滑行速度13.0 cm/s、空氣環境。純GdBaCuO樣品的磨損率最大，添加銀后樣品的磨損率表現出大幅度的降低，其中20%Ag/GdBaCuO樣品的磨損率最低。可見添加銀后樣品的抗磨性能得到很大改善。

表1 GdBaCuO和Ag/GdBaCuO樣品的磨損率

Table 1 The wear rates of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples 10-5 mm3·N-1·m-1

2.5 磨損表面形貌

圖6所示是純GdBaCuO和Ag/GdBaCuO樣品磨損表面的SEM圖，純GdBaCuO樣品磨損表面粗糙不平，顆粒與基體脫離，磨屑較多，磨粒存在會增大磨損，磨粒磨損是其磨損機制。而添加銀的樣品磨損表面相對平滑，顆粒脫落受到了抑制。分布在陶瓷基體中的銀可以通過塑性形變，削弱裂紋尖端集中的應力，抑制微裂紋的擴展[14]。另外，銀是固體潤滑材料，銀在摩擦的過程中向摩擦副表面轉移，起到減摩耐磨的作用。

圖6 純GdBaCuO和Ag/GdBaCuO樣品磨損表面的SEM圖Fig 6 SEM photographs of the worn surfaces of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples

對5%Ag/GdBaCuO樣品表面元素組成進行EDXA測試，如圖7所示，摩擦前樣品表面銀含量為3.43%，經過摩擦之后磨損表面銀含量達到6.64%，表面的銀含量顯著增多。銀是一種固體潤滑劑，樣品中的銀在摩擦力的作用下易變形，向摩擦副表面轉移，起到潤滑作用，減小了Ag/GdBaCuO的摩擦因數和磨損率。

圖7 5%Ag/GdBaCuO表面元素組成EDXA譜Fig 7 EDXA spectrum of 5%Ag/GdBaCuO sample

3 結論

(1)利用固相法制備的Ag/GdBaCuO材料中，銀分布在GdBaCuO基底中，增大GdBaCuO陶瓷密度；在制備樣品的過程中銀與GdBaCuO沒有發生化學反應，GdBaCuO結構沒有改變，仍具有超導電性。

(2)純GdBaCuO摩擦因數隨滑行速度增加而增大，Ag/GdBaCuO樣品摩擦因數隨滑行速度增加先增加而后保持相對平穩；在12～16 N載荷范圍內，純GdBaCuO摩擦因數隨載荷增加先增大后減小，添加銀的樣品在12～14 N載荷范圍內摩擦因數增大，而在14～16 N載荷范圍內摩擦因數保持平穩和下降趨勢。

(3)在相同條件下，Ag/GdBaCuO的摩擦因數和磨損率比純GdBaCuO的低，其中20%Ag/GdBaCuO磨損率最低。在摩擦過程中Ag/GdBaCuO中的銀向對偶件表面轉移，改善接觸表面，Ag/GdBaCuO減摩耐磨性得到提高。