Ag/GdBa2Cu3O7-δ复合材料的制备及摩擦性能

董丽荣 董晨雨3 李长生2 邢 瀚3 李新月3 华 中

(1.吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室 吉林四平 136000;2.江苏大学材料摩擦学省重点实验室 江苏镇江 212013;3.吉林师范大学物理学院 吉林四平 136000)

钇钡铜氧YBa2Cu3O7-δ的超导转变温度Tc在液氮温度以上大于90 K[1]，属于氧化物高温超导陶瓷材料。日本研究者报道在600～1 000 ℃温度范围内，钇钡铜氧摩擦因数在0.2左右[2]。KULEBA等[3]对钇钡铜氧的低温摩擦特性研究表明，在Tc温度下，其摩擦因数是大幅度降低的。FANG和DANYLUK[4]对钇钡铜氧摩擦因数进行测量，在常温下其值在 0.4～0.6之间，在高温700 ℃时，摩擦因数为0.2。DING等[5]用钇钡铜氧证明电子对摩擦作用。文献[6-8]对高温超导体RBaCuO(R=Y, Dy, Sm等稀土元素)和铋锶钙铜氧的摩擦性能进行了报道。对高温超导体摩擦学性能研究具有很强的实用价值，该类材广泛应用在电力、交通、医疗、化工等行业。

Gd属于稀土元素，用三价Gd3+离子替代钇钡铜氧YBa2Cu3O7-δ中的Y3+离子，得到GdBa2Cu3O7-δ(GdBaCuO)材料，GdBaCuO的Tc也在90 K以上[9]，与钇钡铜氧的组织结构和性能具有相似性，属于高温超导陶瓷材料。银是软金属，是固体润滑材料，在高温超导材料中添加金属银，材料的超导电性不会改变，但物理性能得到很大改善[10-13]。本文作者利用固相法制备了Ag/GdBaCuO复合材料样品，分析其结构和形貌，检测其力学性能，并在常温下研究Ag/GdBaCuO样品与对偶件钢的摩擦性能。

1 实验部分

根据GdBa2Cu3O7-δ化学式，以Gd、Ba、Cu金属离子量比为1∶2∶3称取试剂Gd2O3、BaCO3、CuO(纯度大于99.9%)混合，研磨后放到箱式电炉中，烧结10 h，烧结温度为920 ℃。此过程重复3次，让其发生固相反应，生成GdBaCuO黑色粉体。取纯度大于99.9%银粉，分别按0、5%、10%、15%、20%(质量分数，下同)加入到 GdBaCuO黑色粉体中，在700 MPa压力下，将混合粉体压成φ6 mm×10 mm圆柱体，再将压制试样放到电炉中在900 ℃下烧结10 h后，随炉冷却后移到管式炉中500 ℃下渗氧10 h，制成Ag/GdBaCuO复合材料样品。

借助X射线分析仪(X-ray diffraction,XRD，D/MAX2500VB3+/PC) 和扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscope, SEM，Hitachi S-570)分别对样品进行物相、显微组织分析。称量法测量样品密度和气孔率，用硬度计(HVS-1000)测试样品显微硬度。用摩擦试验机(SFT-4000型)测试Ag/GdBaCuO样品的摩擦性能，试验滑行速度为2.6、5.2、7.8、10.4、13.0 cm/s，载荷为12～16 N。对偶件是不锈钢盘(尺寸60.5 mm×2.5 mm，硬度HRC62，粗糙度为0.8 μm), 采用销盘式摩擦。用X射线能谱仪(PV-9900型)分析样品摩擦前后表面的元素组成。根据样品摩擦试验后的质量损失计算磨损率。

2 结果及讨论

2.1 物相组成

图1所示是纯GdBaCuO和添加不同质量分数银的Ag/GdBaCuO样品XRD图。在添加银的样品中只有银和GdBaCuO 2种物相，没有其他杂相存在，且随着银含量增多，银衍射峰增强。银具有良好的化学稳定性，样品Ag/GdBaCuO制备过程中，经900 ℃烧结后，银和GdBaCuO不发生反应， GdBaCuO晶体结构没有改变， GdBaCuO仍具有超导电性[14]。

图1 纯GdBaCuO和Ag/GdBaCuO样品的XRD谱Fig 1 The XRD patterns of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples

2.2 显微组织

图2是10%Ag/GdBaCuO和15%Ag/GdBaCuO样品断面SEM图,可观察到GdBaCuO长方体的晶粒形状，晶粒取向随机分布，且晶粒较为粗大，样品断面上有一些孔隙存在；同时观察到样品断面上存在穿晶断裂，表明了陶瓷材料的脆性本质。从图2(b)所示的15%Ag/GdBaCuO样品中观察到有小球状的银微粒分布在GdBaCuO基体的孔洞中。银能提高陶瓷的密度，可以改善陶瓷力学性能。

图2 10%Ag/GdBaCuO和15%Ag/GdBaCuO断面的SEM图Fig 2 SEM lmages of cross section of 10%Ag/GdBaCuO and 15%Ag/GdBaCuO samples

2.3 力学性能

图3示出了是Ag/GdBaCuO样品的硬度、密度随银含量的变化。在GdBaCuO中添加银后，因银能够增强GdBaCuO晶粒间连接，因银的密度比GdBaCuO的大，其硬度比GdBaCuO的小，使样品的密度随着银添加量的增多逐渐增大，而硬度逐渐减小。

图3 Ag/GdBaCuO样品的硬度、密度随银含量的变化Fig 3 Variation of hardness(a)and density(b)of Ag/GdBaCuO samples with Ag content

另外，所制备的GdBaCuO和Ag/GdBaCuO样品在液氮(-196 ℃)中降温后，用永磁铁测试都具有Meissner 效应，表现出超导体的特性。

2.4 摩擦学性能

图4示出了室温及载荷12 N下纯GdBaCuO和Ag/GdBaCuO样品在不同滑行速度下的摩擦因数。当速度由2.6 cm/s增大到7.8 cm/s时，纯GdBaCuO摩擦因数由0.23上升到0.30,而最大银添加量的样品20%Ag/GdBaCuO的摩擦因数由0.15上升到0.25。当滑行速度由7.8 cm/s增大到13.0 cm/s时，纯GdBaCuO摩擦因数由0.30上升到0.32，10%～20%Ag/GdBaCuO样品的摩擦因数保持在0.25～0.27。添加银的样品都比纯GdBaCuO的摩擦因数低，其中20%Ag/GdBaCuO样品的摩擦因数最小。

图4 不同滑行速度下纯GdBaCuO和 Ag/GdBaCuO样品的摩擦因数Fig 4 The friction coefficient of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples as function of sliding velocity

图5示出了室温及滑动速度2.6 cm/s下纯GdBaCuO和Ag/GdBaCuO样品在不同载荷下的摩擦因数。随着载荷的增大，纯GdBaCuO的摩擦因数由0.23上升到0.30之后又逐渐减小，达到最大载荷16 N时，摩擦因数为0.25。5%～20%Ag/GdBaCuO样品的摩擦因数，在载荷为12～14 N时，随着载荷增大而稍有增加；在载荷为14～16 N时，5%～15%Ag/GdBaCuO样品的摩擦因数基本上是平稳的，摩擦因数为0.22左右。

图5 不同载荷下纯GdBaCuO和Ag/GdBaCuO的摩擦因数Fig 5 The friction coefficient of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples as function of load

表1给出了Ag/GdBaCuO样品的磨损率, 测试条件为载荷12 N、滑行速度13.0 cm/s、空气环境。纯GdBaCuO样品的磨损率最大，添加银后样品的磨损率表现出大幅度的降低，其中20%Ag/GdBaCuO样品的磨损率最低。可见添加银后样品的抗磨性能得到很大改善。

表1 GdBaCuO和Ag/GdBaCuO样品的磨损率

Table 1 The wear rates of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples 10-5 mm3·N-1·m-1

2.5 磨损表面形貌

图6所示是纯GdBaCuO和Ag/GdBaCuO样品磨损表面的SEM图，纯GdBaCuO样品磨损表面粗糙不平，颗粒与基体脱离，磨屑较多，磨粒存在会增大磨损，磨粒磨损是其磨损机制。而添加银的样品磨损表面相对平滑，颗粒脱落受到了抑制。分布在陶瓷基体中的银可以通过塑性形变，削弱裂纹尖端集中的应力，抑制微裂纹的扩展[14]。另外，银是固体润滑材料，银在摩擦的过程中向摩擦副表面转移，起到减摩耐磨的作用。

图6 纯GdBaCuO和Ag/GdBaCuO样品磨损表面的SEM图Fig 6 SEM photographs of the worn surfaces of GdBaCuO and Ag/GdBaCuO samples

对5%Ag/GdBaCuO样品表面元素组成进行EDXA测试，如图7所示，摩擦前样品表面银含量为3.43%，经过摩擦之后磨损表面银含量达到6.64%，表面的银含量显著增多。银是一种固体润滑剂，样品中的银在摩擦力的作用下易变形，向摩擦副表面转移，起到润滑作用，减小了Ag/GdBaCuO的摩擦因数和磨损率。

图7 5%Ag/GdBaCuO表面元素组成EDXA谱Fig 7 EDXA spectrum of 5%Ag/GdBaCuO sample

3 结论

(1)利用固相法制备的Ag/GdBaCuO材料中，银分布在GdBaCuO基底中，增大GdBaCuO陶瓷密度；在制备样品的过程中银与GdBaCuO没有发生化学反应，GdBaCuO结构没有改变，仍具有超导电性。

(2)纯GdBaCuO摩擦因数随滑行速度增加而增大，Ag/GdBaCuO样品摩擦因数随滑行速度增加先增加而后保持相对平稳；在12～16 N载荷范围内，纯GdBaCuO摩擦因数随载荷增加先增大后减小，添加银的样品在12～14 N载荷范围内摩擦因数增大，而在14～16 N载荷范围内摩擦因数保持平稳和下降趋势。

(3)在相同条件下，Ag/GdBaCuO的摩擦因数和磨损率比纯GdBaCuO的低，其中20%Ag/GdBaCuO磨损率最低。在摩擦过程中Ag/GdBaCuO中的银向对偶件表面转移，改善接触表面，Ag/GdBaCuO减摩耐磨性得到提高。