“摩擦”是一種相當(dāng)常見的現(xiàn)象，時(shí)時(shí)刻刻伴隨著人類的活動(dòng)，如走路需要摩擦、汽車的行駛需要摩擦、火車的奔跑也需要摩擦。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的物理現(xiàn)象看似對(duì)人類很友善，但其實(shí)也經(jīng)常露出猙獰的一面。

比如說在工業(yè)上，兩個(gè)物體之間的“摩擦”往往是有害的，會(huì)導(dǎo)致物體接觸表面的磨損，嚴(yán)重的磨損甚至?xí)沟谜９ぷ鞯倪\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)工業(yè)大敵，人們往往會(huì)使用具備優(yōu)良耐磨性能的先進(jìn)陶瓷材料作為普通金屬或塑料的代替，或在易損工件的表面覆蓋上耐磨陶瓷提高其耐久性能。

與普通金屬或塑料相比，耐磨陶瓷具有以下優(yōu)勢(shì)：硬度大、強(qiáng)度高、耐磨性能好，超出錳鋼，高鉻鋼100倍以上、耐高溫、耐酸堿腐蝕、重量輕，僅為鋼鐵的一半，可以大大降低設(shè)備的負(fù)荷。而在這其中，氧化鋁陶瓷因具有十分親民的價(jià)格，相當(dāng)適合工業(yè)應(yīng)用，已成為該領(lǐng)域最常使用的耐磨材料之一，在礦石破碎處理系統(tǒng)、原材料粉磨系統(tǒng)、高速切削等比較“狂野奔放”的場(chǎng)合隨處可見。

氧化鋁陶瓷襯板

由于陶瓷材料摩擦磨損性能對(duì)其能否良好地服役至關(guān)重要，因此要想要氧化鋁陶瓷“駕馭”住摩擦，就必須要去認(rèn)識(shí)及研究它與摩擦之間的關(guān)系。

氧化鋁陶瓷與摩擦的關(guān)系

Evans曾對(duì)影響陶瓷材料磨損率的因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷材料的硬度和斷裂韌性是影響其磨損率的關(guān)鍵因素，且具有高硬度和斷裂韌性的陶瓷材料磨損率較低。針對(duì)提高陶瓷材料硬度和斷裂韌性的目標(biāo)，各國學(xué)者開展了大量的研究工作，具體可分為以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

1.陶瓷晶粒尺寸

氧化鋁陶瓷材料有單相陶瓷和復(fù)相陶瓷（即在基體中加入第二相）之分，在晶粒尺寸與陶瓷摩擦學(xué)性能相關(guān)性研究領(lǐng)域，研究者們主要考察了基體相（或第二相）的晶粒尺寸對(duì)陶瓷摩擦學(xué)性能的影響。

氧化鋁陶瓷的SEM圖

如Roy等研究了亞微米和微米級(jí)單相氧化鋁陶瓷在生物環(huán)境下的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)在牛血清蛋白環(huán)境中亞微米陶瓷的磨損率要遠(yuǎn)低于微米級(jí)陶瓷，且亞微米陶瓷的晶粒拔出和晶界微裂紋明顯少于粗晶氧化鋁陶瓷。Sedlacek等研究了不同氧化鋁基體晶粒尺寸對(duì)磨損性能的影響，其中基體氧化鋁晶粒尺寸在0.8~4μm之間變化，而第二相SiC為納米尺寸。研究表明氧化鋁基體處于亞微米尺寸時(shí)耐磨性能好于晶粒尺寸為微米尺度的納米復(fù)合陶瓷；基體晶粒處于亞微米尺度時(shí)，耐磨性與斷裂韌性之間沒有明顯關(guān)系，而基體處于微米尺度的氧化鋁復(fù)相陶瓷的磨損率隨著硬度增加而下降。

顯然，通過上述例子可看出，通過細(xì)化晶?？捎行椭岣卟牧辖Y(jié)構(gòu)均勻性，包括提高材料致密度，降低材料缺陷等。

2.第二相材料

在氧化鋁復(fù)相陶瓷摩擦學(xué)性能研究領(lǐng)域，組分復(fù)合化，即通過添加各種第二相、顆粒（或晶須）形成復(fù)合材料也是提升氧化鋁陶瓷摩擦學(xué)（或切削）性能的主要途徑。根據(jù)不同的影響機(jī)制，可分為第二相自潤滑機(jī)制、第二相晶界增強(qiáng)作用、第二相摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)制等幾種類型。

①第二相自潤滑機(jī)制

在Al2O3陶瓷基體中引入石墨、CaF2、PbWO4、MoS2、BN、軟金屬等第二相固體潤滑劑能有效地降低材料的摩擦因數(shù)，從而提高材料的摩擦學(xué)性能。鄧建新等在Al2O3/TiC復(fù)合陶瓷基體中引入了10%CaF2固體潤滑劑，通過切削和摩擦實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)：CaF2在摩擦表面被擠壓涂抹成自潤滑膜，自潤滑膜能有效地阻止材料與摩擦副之間的黏著作用，降低摩擦因數(shù)，起到自潤滑作用。

②第二相晶界增強(qiáng)作用

在氧化鋁陶瓷基體中引入第二相（主要是顆粒及晶須），利用彌散顆粒與基體材料間熱膨脹系數(shù)的差異，在材料制備冷卻過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，達(dá)到晶界增強(qiáng)的作用，當(dāng)裂紋沿晶界擴(kuò)展時(shí)，不僅要克服基體材料固有的晶界能，還要克服殘余壓應(yīng)力所帶來的附加能量，因而增加了裂紋擴(kuò)展抗力；另一方面，由于第二相顆粒的熱膨脹系數(shù)小于基體的熱膨脹系數(shù)，材料冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生體積效應(yīng)，在第二相顆粒周圍將產(chǎn)生微裂紋，誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)，使裂紋的擴(kuò)展消耗更多的能量；此外，一般第二相顆粒都近似呈圓球形，使得裂紋尖端鈍化，從而減小應(yīng)力集中而阻止裂紋擴(kuò)展，從而提高材料的摩擦學(xué)性能。

③第二相摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)制

第二相摩擦化學(xué)反應(yīng)機(jī)制是指摻在Al2O3基體中的第二相在與對(duì)磨副材料摩擦?xí)r與空氣中的氣體（主要是氧氣）或與對(duì)磨副材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生潤滑膜，降低材料摩擦因數(shù)，從而提高材料的摩擦學(xué)性能。

鄧建新等在Al2O3陶瓷基體中引入TiB2顆粒制備Al2O3/TiB2復(fù)合陶瓷刀具，刀具在與45#淬硬鋼進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):當(dāng)切削速度大于120m/min，即切削溫度大于800℃時(shí)，Al2O3/TiB2復(fù)合陶瓷刀具中的TiB2與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成TiO2和B2O3，由于TiO2的彈性模量和硬度都比基體材料低得多，使得抗剪切強(qiáng)度減小，從而材料的摩擦因數(shù)下降，減輕了刀具的黏著磨損，提高刀具的耐磨性。

3.摩擦學(xué)機(jī)制

不同應(yīng)用情況下，氧化鋁陶瓷表現(xiàn)出的摩擦學(xué)機(jī)制其實(shí)也不同，因此應(yīng)結(jié)合不同的強(qiáng)化方式對(duì)癥下藥。目前針對(duì)這一方面，已有研究者們進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了一些規(guī)律性認(rèn)識(shí)：