Ti3AlC2/石墨烯復合陶瓷摩擦磨損性能的研究

李喜坤，宋曉東，齊艷雨，蔡 明

（沈陽理工大學材料科學與工程學院 遼寧 沈陽 110159）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和時代的進步，材料在人類的科技進步中的作用越來越重要，高新技術的快速進步對新材料的研究提出了更高的要求，很多國家都將新材料的研究與開發(fā)列為關鍵技術[1]。

石墨烯的概念在20世紀40年代被提出，安德烈·海姆等[2]也因為對2D石墨烯材料的貢獻獲得了2010年諾貝爾物理學獎。由于石墨烯的強度、剛度和彈性都非常的良好，并且其熱導率和電子遷移率也很高，越來越多的科學家開始致力于石墨烯的研究[3-4]。

石墨烯是通過碳原子相互之間緊密堆積而形成的二維原子體[5]，石墨烯是一種非金屬材料，但由于其性質類似于半導體金屬，通常被稱為準金屬。因此，具有許多其他非金屬材料不具有的獨特性質[6]。由于石墨烯具有良好的物理化學性質和力學性能[7]，將其加入到陶瓷復合材料中，可以使得陶瓷復合材料的各個性能都有提高，整體的性能得到改善，有時還會發(fā)現(xiàn)一些具有獨特的性能的集成結構和一些突出的功效[8]，從而提高金屬材料的強度、剛度等力學性能及導電、導熱等物理性能，從而得到高性能的結構和功能材料。

本實驗為獲得摩擦磨損性能更好的陶瓷復合材料以延長受電弓滑板的壽命，采用熱壓燒結方法制備復合陶瓷材料，研究石墨烯含量對其摩擦磨損性能的影響。

1 實驗

1.1 試劑與材料

以Ti3AlC2陶瓷為基體材料，石墨烯為強化相，制備Ti3AlC2/石墨烯復合陶瓷材料。具體配方如下：按TiC:Ti:Al=2:1:1制備Ti3AlC2，石墨烯的質量為變量，具體的質量分數(shù)分別為0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%、0.15%、0.175% 和0.2%。

1.2 Ti3AlC2/C復合陶瓷的制備

按配方稱取60 g原料，采用濕法球磨的方式，將氧化鋯磨球、原料粉末和無水乙醇按3：1：0.7的比例加入到球磨筒中，球磨機的運行速度為40 rad/min，混料時間為12 h。隨后，將原料置于真空烘干機中，在90 ℃下干燥6 h。然后將干燥后的粉末放入石墨模具中，在真空熱壓燒結爐中（ZT-50-22Y）進行熱壓燒結，燒結溫度1 400 ℃，保溫60 min，壓力為25 MPa。

1.3 分析和測試

本實驗通過XRD衍射儀和掃描電鏡（SEM）分析其顯微組織；使用MDW-02型摩擦磨損試驗機檢測試樣的摩擦磨損性能，載荷是30 N，載荷下試驗40 min，摩擦副選用氧化鋯球。采用精度為萬分位的電子天平對實驗前后的試樣進行稱重，計算磨損率；采用數(shù)顯維氏硬度計（HVS-50）測試試樣的硬度，試驗力為300 N，保持載荷10 s后卸載，測量10組數(shù)據(jù)，去掉最大和最小的數(shù)據(jù)后取平均值得到硬度值。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1為石墨烯/Ti3AlC2復合陶瓷材料試樣的XRD圖譜。

圖1 不同石墨烯含量的石墨烯/Ti3AlC2復合陶瓷XRD圖譜

根據(jù)Ti-Al-C三元體系的反應機理以及文獻[9]，對燒結反應機理分析如下：

結合XRD圖譜，利用公式計算Ti3AlC2和TiC的質量分數(shù)。具體公式（5）如下：

WTiC和WTi3AlC2分別代表TiC和Ti3AlC2的含量，ITiC和ITi3AlC2分別表示TiC(111)衍射峰強度和Ti3AlC2（104）衍射峰強度，利用公式計算出Ti3AlC2和TiC的質量分數(shù)，具體的計算結果如表1所示。

表1 TiC和Ti3AlC2質量分數(shù) 單位：%

由圖1對比圖中曲線發(fā)現(xiàn)，不同配比下的物相基本相同，主要物相為Ti3AlC2和TiC，其明顯特征衍射峰（晶面指數(shù)）分別在2θ=39.037°（104）、41.710°（200），沒有找到石墨烯的成分C的衍射峰，其原因可能是石墨烯在復合材料中的含量較低，檢測不出碳元素的衍射峰。從表1中可以看出，隨著石墨烯含量的增加Ti3AlC2的質量分數(shù)隨之增加，在石墨烯含量為0.175%時，Ti3AlC2的質量分數(shù)達到峰值，繼續(xù)增加石墨烯含量時，Ti3AlC2的質量分數(shù)下降。

2.2 SEM分析

圖2是試樣的掃描電鏡照片，圖2（a）～2（e）中石墨烯含量分別為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%和0。由圖可知，復合陶瓷粉體經(jīng)過1 400 ℃燒結后的晶粒形狀不規(guī)則，尺寸也不均勻，隨著石墨烯含量的增多，其質量分數(shù)超過0.1%時，尺寸較大的晶粒的數(shù)量逐漸減少。

圖2 不同石墨含量的石墨烯/Ti3AlC2復合材料掃描電鏡照片

2.3 硬度值分析

圖3為試樣硬度的折線圖。

圖3 不同石墨烯含量的石墨烯/Ti3AlC2復合材料硬度值

由圖3可知，隨著石墨烯含量的增加，試樣的硬度值有所降低，在石墨烯含量超過0.1%時，硬度值逐漸升高，在含量為0.15%時到達最大值后繼續(xù)下降。這是由于石墨烯摻雜在陶瓷晶格間隙、晶格結點和晶界等位置，對陶瓷基體起到固溶強化、彌散強化的作用，在含量為0.15%時作用最強，從而使其強度、硬度顯著增加。

2.4 摩擦磨損性能分析

表2為試樣經(jīng)摩擦磨損測試后磨損量，1到9的石墨烯含量分別為0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%、0.15%、0.175%、0.2%、0。可以看出，摻入石墨烯的試樣其耐摩擦磨損性能明顯優(yōu)于第9組即空白對照組。

表2 試樣經(jīng)摩擦磨損測試后損失量 單位：g

從表2中可以看出，摻入石墨烯后的試樣，其磨損減量相較于空白對照組有所減少，在石墨烯含量為0.075%和0.15%時損失量最小。這是因為石墨烯具有潤滑作用，可以減少摩擦，在摩擦過程中，由于石墨烯的存在對試樣起到了明顯的減摩潤滑的效果。

圖4為磨損減量隨石墨烯含量變化曲線。由圖4可知，試樣的磨損減量并不隨石墨烯含量的增加而線性較少，原因在于試樣的耐磨程度并不僅取決于石墨烯的含量，也受到了基體相Ti3AlC2的含量的影響。在石墨烯含量為0.075%和0.15%試樣中，均生成了含量較高的Ti3AlC2相，由于其本身具有自潤滑性的特點和石墨烯的添加，使得這兩組試樣的耐磨程度高于其他試樣。

圖4 磨損減量隨石墨烯含量變化曲線

圖5（a）、5（b）分別是石墨烯含量為0和0.15%時共聚焦顯微鏡拍照后的微觀形貌。從圖中看出，（a）的磨損表面，在反復接觸應力的作用下，發(fā)生了明顯的疲勞剝落；（b）主要的磨損機制為剝層磨損。綜合來看，添加石墨烯后的試樣比未添加的耐磨性好。

圖5 30 N載荷摩擦后試樣劃痕處微觀圖

3 結論

分析測試結果得出以下結論。

（1）通過XRD物相分析可知，通過熱壓燒結得到純度較高的Ti3AlC2。

（2）摻入石墨烯的試樣其最大磨損減量為0.0061 g少于不添加石墨烯的0.0093 g，耐磨性更為出色，其中添加石墨烯質量分數(shù)為0.15%的試樣耐磨程度最好。

（3）石墨烯具有良好的強化效果，特別是在提高材料的耐摩擦磨損性能方面表現(xiàn)顯著。