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【封面文章】江南大学王全龙副教授等：SiO2-BNNSs杂化材料对磷酸盐复合涂层高温摩擦学性能的影响

科技   2024-09-18 17:54   重庆  

















































背景与意义

氮化硼纳米片（BNNSs）作为一种典型的二维材料，与石墨烯、碳纳米管等材料相比，由于其具有许多独特的性质，如较低的热膨胀系数和摩擦因数、高抗氧化性以及优异的力学性能，近年来越来越受到学者们的关注。同时，由于自身的化学惰性以及与环境的弱耦合作用，BNNSs明显具有更高的承受恶劣化学物质（如强酸和强碱）冲击的能力，具有极强的热稳定性。另外，BNNSs已广泛应用于表面润滑系统，它的高硬度和在致密光滑表面上的高剪切能力，与石墨烯的层间润滑性相媲美，有利于减少表面材料磨损现象。

为提高磷酸盐复合涂层的耐高温磨损性能，江南大学王全龙副教授团队采用溶胶-凝胶法制备SiO2-BNNSs杂化材料，并制备了不同含量的BNNSs、SiO2-BNNSs磷酸盐复合涂层。选择200、400 ℃作为磷酸盐复合涂层的摩擦温度条件，因为200 ℃是一般中温条件下304不锈钢金属部件的服役温度，而选择400 ℃是因为304不锈钢金属不属于耐热钢，400 ℃以上过高的温度会导致其与涂层的热膨胀系数差异过大，涂层会出现大面积脱落现象，这与笔者前期所做的预试验结果相符。因此，通过高温摩擦试验探究涂层在200 ℃中温和400 ℃高温条件下的力学和摩擦学性能表征，探索SiO2-BNNSs对涂层摩擦学性能的影响规律，并揭示SiO2-BNNSs/磷酸盐纳米复合涂层耐高温磨损机理。

图文导读

中高温度下各样品涂层的摩擦因数随磨损时间的变化曲线如图1所示。在磨损初期阶段，摩擦因数不断上升，随着磨损时间的增加，摩擦因数趋于稳定，波动较小。这是因为初始阶段，对磨小球与涂层表面的凸起部分直接接触，接触面积较小，两者在旋转摩擦时界面产生很大的切向阻力，不断地产生磨损现象，使得涂层摩擦因数急剧上升。随着摩擦的继续进行，涂层表面的粗糙峰逐渐被磨平，摩擦接触面积逐渐到达稳定值，相较于初始阶段，接触面积明显增大，因此切向阻力减小，磨损达到稳定阶段。

中高温度下各涂层样品的SEM磨痕形貌如图2所示。200 ℃时，通过对比观察可以发现，未添加任何增强相的0-BN涂层（见图2a）的磨损表面形成了许多平行于滑动方向的条形沟槽，磨损表面凹凸不平比较粗糙，而且表面存在很多微裂纹等缺陷，并形成了一些黏着性断裂碎片。

为了表征涂层高温加热后的硬度，将不同的样品涂层置入马弗炉中200、400 ℃各加热2 h后测试其显微硬度，如图3所示。整体来看，未添加任何增强相的涂层硬度最低，随着不同含量BNNSs和SiO2-BNNSs的添加，涂层的硬度值明显提高，且在400 ℃加热后，涂层的硬度要比200 ℃加热后的涂层硬度高，0.4-SBN的最高，为261.2HV，但BNNSs的添加量到达0.6%时，涂层硬度却有所下降。

结论

1）采用溶胶-凝胶法对BNNSs进行表面功能化改性，制备了SiO2-BNNSs增强相材料，通过物化分析和微观形貌表征可知，SiO2对BNNSs成功进行了杂化改性，且SiO2颗粒均匀分布在片状BNNSs材料上。

2）添加SiO2-BNNSs杂化材料的涂层在400 ℃时具有良好的均质结构和高承载能力，硬度明显提高，0.4-SBN的最高，为261.2HV。

3）涂层的摩擦因数和磨损率随着SiO2-BNNSs的加入和温度的升高逐渐降低，0.4-SBN和0.6-SBN的摩擦因数分别达到了0.48和0.50，磨损率分别达到了66.24×10–6 mm3/(N·m)和60.16×10–6 mm3/(N·m)。同时，涂层磨痕的二维和三维形貌也显示出随着温度的升高和增强相的加入而逐渐变得光滑，磨痕深度和磨痕宽度更小。这说明增强相的加入和温度的升高可以有效提高涂层的耐磨损性能。

4）确定了SiO2-BNNSs磷酸盐复合涂层高温条件下的耐高温磨损机制。首先片状BNNSs在涂层磨损过程中会形成润滑膜，降低了磨损接触面的摩擦剪切强度，且SiO2-BNNSs材料的引入，使得纳米材料在涂层中分散更均匀，涂层更致密，从而承载能力更高。同时，高温条件下，生成的黏接相AlPO4更多，因而将更多涂层骨料黏接在一起，有效弥补了涂层缺陷。此外，在高温和摩擦协同作用下，可以将已有的磨屑磨碎、压实和烧结以形成釉层，有效降低了涂层的剥落，这进一步提升了涂层的耐高温磨损性能。

文章信息

该文章发表在《表面技术》第53卷第15期。

引文格式：魏文涛, 王全龙, 王剑宇, 等. SiO2-BNNSs杂化材料对磷酸盐复合涂层高温摩擦学性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(15): 34-44.

WEI Wentao, WANG Quanlong, WANG Jianyu, et al. Effect of SiO2-BNNSs Hybrid Material on High Temperature Tribological Properties of Phosphate Composite Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(15): 34-44.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.003

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编辑 | 邓李旸


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审核|汪  潇

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