董麗榮 董晨雨3 李長(zhǎng)生2 邢 瀚3 李新月3 華 中

(1.吉林師范大學(xué)功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 吉林四平 136000;2.江蘇大學(xué)材料摩擦學(xué)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇鎮(zhèn)江 212013;3.吉林師范大學(xué)物理學(xué)院 吉林四平 136000)

釔鋇銅氧YBa2Cu3O7-δ的超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(dǎo)陶瓷材料。日本研究者報(bào)道在600～1 000 ℃溫度范圍內(nèi)，釔鋇銅氧摩擦因數(shù)在0.2左右[2]。KULEBA等[3]對(duì)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(shù)是大幅度降低的。FANG和DANYLUK[4]對(duì)釔鋇銅氧摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)量，在常溫下其值在 0.4～0.6之間，在高溫700 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)為0.2。DING等[5]用釔鋇銅氧證明電子對(duì)摩擦作用。文獻(xiàn)[6-8]對(duì)高溫超導(dǎo)體RBaCuO(R=Y, Dy, Sm等稀土元素)和鉍鍶鈣銅氧的摩擦性能進(jìn)行了報(bào)道。對(duì)高溫超導(dǎo)體摩擦學(xué)性能研究具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，該類材廣泛應(yīng)用在電力、交通、醫(yī)療、化工等行業(yè)。

Gd屬于稀土元素，用三價(jià)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(jié)構(gòu)和性能具有相似性，屬于高溫超導(dǎo)陶瓷材料。銀是軟金屬，是固體潤(rùn)滑材料，在高溫超導(dǎo)材料中添加金屬銀，材料的超導(dǎo)電性不會(huì)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(fù)合材料樣品，分析其結(jié)構(gòu)和形貌，檢測(cè)其力學(xué)性能，并在常溫下研究Ag/GdBaCuO樣品與對(duì)偶件鋼的摩擦性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

根據(jù)GdBa2Cu3O7-δ化學(xué)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(jié)10 h，燒結(jié)溫度為920 ℃。此過程重復(fù)3次，讓其發(fā)生固相反應(yīng)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(jié)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(fù)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(duì)樣品進(jìn)行物相、顯微組織分析。稱量法測(cè)量樣品密度和氣孔率，用硬度計(jì)(HVS-1000)測(cè)試樣品顯微硬度。用摩擦試驗(yàn)機(jī)(SFT-4000型)測(cè)試Ag/GdBaCuO樣品的摩擦性能，試驗(yàn)滑行速度為2.6、5.2、7.8、10.4、13.0 cm/s，載荷為12～16 N。對(duì)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(jù)樣品摩擦試驗(yàn)后的質(zhì)量損失計(jì)算磨損率。

2 結(jié)果及討論

2.1 物相組成

圖1所示是純GdBaCuO和添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qiáng)。銀具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，樣品Ag/GdBaCuO制備過程中，經(jīng)900 ℃燒結(jié)后，銀和GdBaCuO不發(fā)生反應(yīng)， GdBaCuO晶體結(jié)構(gòu)沒有改變， GdBaCuO仍具有超導(dǎo)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(zhǎng)方體的晶粒形狀，晶粒取向隨機(jī)分布，且晶粒較為粗大，樣品斷面上有一些孔隙存在；同時(shí)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(zhì)。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(xué)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(xué)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(qiáng)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(cè)試都具有Meissner 效應(yīng)，表現(xiàn)出超導(dǎo)體的特性。

2.4 摩擦學(xué)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(shù)。當(dāng)速度由2.6 cm/s增大到7.8 cm/s時(shí)，純GdBaCuO摩擦因數(shù)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(shù)由0.15上升到0.25。當(dāng)滑行速度由7.8 cm/s增大到13.0 cm/s時(shí)，純GdBaCuO摩擦因數(shù)由0.30上升到0.32，10%～20%Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數(shù)保持在0.25～0.27。添加銀的樣品都比純GdBaCuO的摩擦因數(shù)低，其中20%Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數(shù)最小。

圖4 不同滑行速度下純GdBaCuO和 Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數(shù)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(dòng)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(shù)。隨著載荷的增大，純GdBaCuO的摩擦因數(shù)由0.23上升到0.30之后又逐漸減小，達(dá)到最大載荷16 N時(shí)，摩擦因數(shù)為0.25。5%～20%Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數(shù)，在載荷為12～14 N時(shí)，隨著載荷增大而稍有增加；在載荷為14～16 N時(shí)，5%～15%Ag/GdBaCuO樣品的摩擦因數(shù)基本上是平穩(wěn)的，摩擦因數(shù)為0.22左右。

圖5 不同載荷下純GdBaCuO和Ag/GdBaCuO的摩擦因數(shù)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(cè)試條件為載荷12 N、滑行速度13.0 cm/s、空氣環(huán)境。純GdBaCuO樣品的磨損率最大，添加銀后樣品的磨損率表現(xiàn)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(huì)增大磨損，磨粒磨損是其磨損機(jī)制。而添加銀的樣品磨損表面相對(duì)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(yīng)力，抑制微裂紋的擴(kuò)展[14]。另外，銀是固體潤(rùn)滑材料，銀在摩擦的過程中向摩擦副表面轉(zhuǎn)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(duì)5%Ag/GdBaCuO樣品表面元素組成進(jìn)行EDXA測(cè)試，如圖7所示，摩擦前樣品表面銀含量為3.43%，經(jīng)過摩擦之后磨損表面銀含量達(dá)到6.64%，表面的銀含量顯著增多。銀是一種固體潤(rùn)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(zhuǎn)移，起到潤(rùn)滑作用，減小了Ag/GdBaCuO的摩擦因數(shù)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(jié)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，GdBaCuO結(jié)構(gòu)沒有改變，仍具有超導(dǎo)電性。

(2)純GdBaCuO摩擦因數(shù)隨滑行速度增加而增大，Ag/GdBaCuO樣品摩擦因數(shù)隨滑行速度增加先增加而后保持相對(duì)平穩(wěn)；在12～16 N載荷范圍內(nèi)，純GdBaCuO摩擦因數(shù)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(nèi)摩擦因數(shù)增大，而在14～16 N載荷范圍內(nèi)摩擦因數(shù)保持平穩(wěn)和下降趨勢(shì)。

(3)在相同條件下，Ag/GdBaCuO的摩擦因數(shù)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?qū)ε技砻孓D(zhuǎn)移，改善接觸表面，Ag/GdBaCuO減摩耐磨性得到提高。