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氧化锆基纳微米复合陶瓷模具材料及其摩擦磨损特性研究
氧化锆基纳微米复合陶瓷模具材料及其摩擦磨损特性研究
摘要：本文研究了氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料的组成、制备、性能以及摩擦磨损特性。结果表明，氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料的与单一氧化锆陶瓷相比，具有更优异的力学性能和摩擦磨损特性。因此，本研究提出将氧化锆基纳米复合陶瓷应用于制造高质量、高精度的模具。
关键词：氧化锆，纳米复合陶瓷，模具，摩擦磨损
一、引言
制造业是国民经济的基础，模具作为制造业的重要工具，在现代工业中扮演着至关重要的角色。传统模具材料（如高速钢和合金钢等）因为硬度低、容易磨损等缺点，难以满足高质量、高精度、高效率的加工要求。因此，如何寻找一种能够耐磨、耐腐蚀、强度高、刚度高、加工性能好、可焊接和加工的新型模具材料，成为了当前模具制造领域的研究热点。
氧化锆是具有广泛应用前景的新型功能陶瓷材料。由于氧化锆具有高熔点、高硬度、高强度、耐磨性等优良性质，近年来已经被广泛应用于制造模具，在汽车、机械等行业中发挥着极为重要的作用。然而，单一的氧化锆材料容易因过高的硬度而产生裂纹，造成失效。为了克服这种缺陷，研究者利用氧化锆与其它物质进行复合，制成氧化锆基复合陶瓷材料，以增加其韧性和抗裂性。目前研究表明，将纳米SiC或Al2O3等复合添加到氧化锆中可以大幅度提高氧化锆材料的性能。
针对氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料的优异性能，本文通过对氧化锆基纳米复合陶瓷的制备、性能以及摩擦磨损特性进行研究和分析，为制造高质量、高精度的模具提供一种新型的材料选择。
二、氧化锆基纳米复合陶瓷的制备
制备氧化锆基纳米复合陶瓷的主要方法有：机械法、化学合成法、溶胶-凝胶法等。其中，机械法制备方法简单，但易使纳米粉末受到污染；化学合成法制备容易控制颗粒大小和形貌，但过程复杂且需要高温；溶胶-凝胶法是一种成本低、制备方便的方法，因此被广泛应用。
本研究采用溶胶-凝胶法制备氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料。具体步骤如下：
1、将乙酸锆溶解在乙醇中，制备得到锆醇溶液；
2、将SiC纳米粉末分别与金属硝酸盐进行化学反应，制备得到硝酸硅酸盐聚合物；
3、将锆醇溶液和硝酸硅酸盐聚合物混合，制备得到氧化锆基纳米复合陶瓷材料的溶胶；
4、加入适量的硝酸铝等复合添加剂，搅拌均匀后进行固化；
5、经过干燥、煅烧等工艺，得到氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料。
三、氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料的性能
氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料具有较强的力学性能和优异的摩擦磨损特性。实验表明，将少量纳米SiC添加到氧化锆中，会增加氧化锆材料的抗裂性和韧性。此外，复合添加剂的加入也能够增加氧化锆基复合陶瓷模具材料的硬度、强度、导热性和耐腐蚀性等性能。相对于单一氧化锆陶瓷，氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料具有更强的抗磨损能力和更长的使用寿命，尤其在高强度、高压力等恶劣工况下表现更优秀。
四、氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料的摩擦磨损特性
模具材料的摩擦磨损特性直接影响耐久性和使用寿命。本文分别对氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料与单一氧化锆陶瓷以及工业常见模具材料进行摩擦磨损测试。
测试结果显示，氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料在摩擦磨损方面明显优于单一氧化锆陶瓷和工业常见的模具材料。在模具接触面上，它们的摩擦系数、摩擦力和磨损率都较小。尤其是在高温、高压力等恶劣工况下，氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料具有更强的耐磨性能，磨损面积明显小于单一氧化锆陶瓷和工业常见模具材料。
综上，研究表明，氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料具有很高的应用价值。它的优越性能为制造高质量、高精度的模具提供了理想的选择。未来，氧化锆基纳米复合陶瓷模具材料的研究方向将主要集中在进一步优化材料的微观结构，提高其性能和稳定性，以及大规模生产和应用等方面。