石墨碳化硅陶瓷片干摩擦条件下0.1–0.2超低摩擦系数

石墨碳化硅陶瓷片干摩擦条件下0.1–0.2超低摩擦系数

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/JR897MIO0552Z33T.html

在高速轴承、真空机械密封、航天器活动部件等极端工况中，材料的干摩擦性能直接决定设备寿命与能效。石墨碳化硅陶瓷（SiC-Graphite）凭借其独特的自润滑特性和原子级结构设计，在无润滑条件下实现了0.1–0.2的突破性摩擦系数，较传统金属材料降低80%以上。这一技术突破不仅解决了高真空、强辐射等严苛场景的润滑难题，更开启了机械系统免维护化时代。本文从材料基因、界面工程到工业实践，深度解析这一技术奇迹的底层逻辑。

石墨碳化硅陶瓷片

低摩擦系数的物理本质：石墨与碳化硅的协同效应

1. 石墨的层状润滑机制

石墨的六方晶格结构由sp²杂化碳原子构成，层间仅通过范德华力连接（结合能约0.1 eV）。在干摩擦条件下，层间剪切强度低至0.02 GPa，可形成连续润滑膜：

• 实验显示，当石墨含量达15-25 vol%时，摩擦系数从纯碳化硅的0.6骤降至0.15；
• 高温环境下（＞800℃），石墨氧化生成的CO₂微气膜进一步降低接触面黏着效应，使摩擦系数稳定在0.18±0.03。

2. 碳化硅的硬质骨架支撑

β-SiC晶体的超高硬度（维氏硬度28 GPa）与断裂韧性（4.5 MPa·m¹/²）构成耐磨基底：

• 通过热压烧结形成三维互穿网络，将石墨相包裹于连续SiC骨架中，磨损率低至1.2×10⁻⁷ mm³/(N·m)；
• 在10⁴次干摩擦循环后，表面粗糙度Ra值仅从0.05 μm增至0.08 μm，接触应力分布均匀性提升3倍。

材料性能对比：

碳化硅陶瓷性能对比

原子级结构设计：从晶界工程到表面拓扑

1. 梯度晶界相调控

通过Y₂O₃-AlN复合烧结助剂（添加量1-3 wt%），在SiC/石墨界面构建梯度过渡层：

• 晶界相厚度控制在2-5 nm，界面剪切强度提升至1.5 GPa，抑制石墨层剥离；
• 在真空干摩擦条件下，晶界处的Y-Si-O-C复合相可动态填充微裂纹，使摩擦系数波动幅度＜±0.02。

2. 多尺度表面功能化

• 激光微织构技术：在接触面加工直径20–50 μm的微坑阵列，捕获磨屑并形成气动润滑膜，使摩擦系数再降30%；
• 碳化物衍生碳（CDC）涂层：通过氯气蚀刻SiC表面形成3D多孔碳网络，干摩擦系数从0.7降至0.18，磨损率降低2个数量级；
• 金刚石-石墨复合膜：采用MPCVD法沉积2 μm厚复合涂层，摩擦系数稳定在0.12，磨损率仅1.18×10⁻⁷ mm³/(N·m)。

3. 石墨定向排布技术

通过流延成型与磁场取向结合，使石墨片层沿滑动方向定向排列：

• 层间取向偏差角＜5°，剪切阻力降低至0.015 GPa；
• 在10 m/s高速干摩擦条件下，摩擦热导致的温升从400℃降至120℃。

碳化硅陶瓷加工精度

极端工况下的工业验证

1. 真空机械密封系统

某空间站姿控发动机采用石墨碳化硅密封环后：

• 真空兼容性：在10⁻⁶ Pa环境中无放气污染，摩擦系数稳定在0.15；
• 寿命周期：累计运行1.5万小时后，泄漏率仍＜1×10⁻⁸ Pa·m³/s，较金属密封件提升50倍。

2. 高温轴承组件

在航空发动机辅助动力单元（APU）中：

• 极端温度：在800℃空气环境中，磨损率仅3.7×10⁻⁸ mm³/(N·m)；
• 抗热震性：耐受1000℃→25℃急冷循环2000次，无结构失效。

3. 核反应堆控制棒驱动机构

在快中子辐照环境（通量1×10¹⁸ n/cm²）下：

• 尺寸稳定性：累计位移误差＜2 μm，满足0.1 mm级精密控制需求；
• 抗辐照损伤：石墨相通过捕获离位原子，使材料肿胀率＜0.05%。

技术突破与未来演进

1. 量子点增强技术

在SiC基体中引入2–3 nm石墨烯量子点：

• 通过量子限域效应提升界面结合能，使干摩擦系数进一步降至0.08；
• 在10⁻¹⁰ Pa极高真空下，摩擦系数波动范围缩窄至±0.005。

2. 智能响应表面

• 相变润滑层：开发VO₂/SiC复合涂层，在摩擦热触发下发生绝缘体-金属相变，实现0.1–0.4摩擦系数的自适应调节；
• 原位修复系统：利用摩擦诱导石墨烯生成机制，实时修复磨损缺陷。

3. 4D打印拓扑优化

通过数字光处理（DLP）技术制造仿生蜂窝结构：

• 孔径梯度从表层的50 μm渐变至芯层的200 μm，应力集中系数从2.1降至1.2；
• 在30 kN高载荷下，摩擦温升降低60%，能量损耗减少45%。