技术领域
本发明涉及一种轻质化的氮化硅-氧化铝复合摩擦材料的制备方法，属于复合摩擦材料技术领域。
背景技术：
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有高的强度、硬度、耐热性和耐磨性以及优异的化学稳定性，因而广泛应用于密封部件、发动机关键部件、高速切削工具等领域，成为耐磨部件用材料的最佳选择之一。然而，Si3N4陶瓷本身具有较高的干摩擦因数和磨损率，达不到Czichos提出的摩擦学材料工程应用要求，目前，国内外经常采用添加固体润滑剂六方氮化硼(hBN)的方法来改善Si3N4陶瓷的摩擦学性能。
但是，研究发现在水中Si3N4-hBN/Si3N4摩擦材料摩擦因数高于Si3N4/ Si3N4摩擦材料摩擦因数，归因于hBN的加入使Si3N4基陶瓷在水中的摩擦表面无法达到光滑镜面，并且其磨损率也较高。
因此，需要对上述问题进行解决，以提高在水中Si3N4-hBN/Si3N4摩擦摩擦材料的摩擦性能。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于：Si3N4-hBN/Si3N4摩擦摩擦材料在水中的摩擦性能不好，摩擦因子较高的问题。本发明一方面，通过采用多孔氧化铝作为基材，可以有效地减轻摩擦材料的重量，实现轻量化，本发明另一方面，通过高比表面积的氧化石墨烯和二氧化钛构成复合涂层，作为制备中间层，再经过烧结之后，形成二氧化钛与基材之间连接的疏松结构，其具有较大的中空结构，再将Si3N4-hBN浆料涂覆于钛中空结构上，其实现了较快的浸浆吸附作用，最终制备得到的表层Si3N4-hBN具有结构紧密、摩擦因子小的优点。
为解决上述问题，采用了如下技术手段：
一种轻质化的氮化硅-氧化铝复合摩擦材料的制备方法，包括如下步骤：
第1步，将氧化石墨粉末加入至去离子水中，配制成浓度为0.1～2wt%之间的溶液，再在超声的作用下对溶液进行分散；
第2步，再将第1步得到的溶液与无水乙醇进行混合，升温并回流，然后再加入醋酸钛，使醋酸钛在混合溶液中的浓度是0.3～1wt%，并保持回流状态20～40min；
第3步，将第2步得到的反应液进行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反应液中的浓度是0.8～1.6wt%，进行冰浴反应之后，将沉淀离心滤出，再依次经过无水乙醇、去离子水洗涤，烘干得到RGO /TiO2纳米粉体；
第4步，将RGO /TiO2纳米粉体与有机成型助剂、去离子水、表面活性剂按照重量比20：15～20：4～8：0.05～0.1混合成过渡层浆料；
第5步，采用多孔氧化铝材料作为基材，以浸浆法将过渡层浆料涂覆于基材表面，取出后进行烘干，在空气气氛中再进行第一次烧结，再在氢气气氛中进行第二次烧结；
第6步，将Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、有机成型助剂、去离子水、表面活性剂按照重量比40～45：8～12：3～6：2～4：10～18：2～4混合均匀，作为表层浆料，再将第5步得到的烧结材料浸于表层浆料中，取出后在氮气气氛下进行第三次烧结，即可。
所述的第1步中，超声频率是20～50kHz，超声功率是5～10W/cm2，超声分散时间优选30～60min。
所述的第2步中，第1步得到的溶液与无水乙醇的体积比是2～4：1。
所述的第3步中，冰浴反应时间3～5h。
所述的第5步中，多孔氧化铝的孔隙率是30～60%；浸浆时间控制在20～30s。
所述的第5步中，第一次烧结程序是：以空气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至400～500℃保温2～3h，然后以7℃/min升温至900～920℃保温1～2h，再以6～8℃/min升温至1040～1060℃保温1～2h，最后随炉自然冷却至室温；第二次烧结程序是：以氢气为烧结气氛，首先以6℃/min从室温升温至300～400℃保温1～2h，然后以4℃/min升温至600～720℃保温2～4h，再以4～6℃/min升温至820～880℃保温0.5～1h，最后随炉自然冷却至室温。
所述的第4步和第6步中，有机成型助剂为羟丙基纤维素、甘油、油酸中的一种或几种的混合；所述的表面活性剂是非离子表面活性剂，优选甘油单硬脂酸酯。
所述的第6步中，第三次烧结程序是：以氮气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至450～550℃保温2～3h，然后以6℃/min升温至750～780℃保温1～2h，最后随炉自然冷却至室温。
有益效果
本发明一方面，通过采用多孔氧化铝作为基材，可以有效地减轻摩擦材料的重量，实现轻量化，本发明另一方面，通过高比表面积的氧化石墨烯和二氧化钛构成复合涂层，作为制备中间层，再经过烧结之后，使大比表面积的氧化石墨烯被烧除，剩余部分形成二氧化钛与基材之间连接的疏松结构，其具有较大的中空结构，进一步再通过氢气气氛烧结，使二氧化钛结构转为为钛，使内部结构再次扩大，最后再将Si3N4-hBN浆料涂覆于钛中空结构上，利用钛结构的较强的吸浆作用，实现了较快的浸浆吸附效果，最终制备得到的表层Si3N4-hBN具有结构紧密、摩擦因子小的优点。
具体实施方式
实施例1
第1步，将氧化石墨粉末加入至去离子水中，配制成浓度为0.1wt%的溶液，再在超声的作用下对溶液进行分散，超声频率是20kHz，超声功率是5W/cm2，超声分散时间30min；
第2步，再将第1步得到的溶液与无水乙醇按体积比是2：1进行混合，升温并回流，然后再加入醋酸钛，使醋酸钛在混合溶液中的浓度是0.3wt%，并保持回流状态20min；
第3步，将第2步得到的反应液进行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反应液中的浓度是0.8wt%，进行冰浴反应3h之后，将沉淀离心滤出，再依次经过无水乙醇、去离子水洗涤，烘干得到RGO /TiO2纳米粉体；
第4步，将RGO /TiO2纳米粉体与甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比20：15：4：0.05混合成过渡层浆料；
第5步，采用孔隙率是30%的多孔氧化铝材料作为基材，以浸浆法将过渡层浆料涂覆于基材表面，浸浆时间控制在20s，取出后进行烘干，在空气气氛中再进行第一次烧结，再在氢气气氛中进行第二次烧结，第一次烧结程序是：以空气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至400℃保温2h，然后以7℃/min升温至900℃保温1h，再以6℃/min升温至1040℃保温1h，最后随炉自然冷却至室温；第二次烧结程序是：以氢气为烧结气氛，首先以6℃/min从室温升温至300℃保温1h，然后以4℃/min升温至600℃保温2h，再以4℃/min升温至820℃保温0.5h，最后随炉自然冷却至室温；
第6步，将Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比40：8：3：2：10：2混合均匀，作为表层浆料，再将第5步得到的烧结材料浸于表层浆料中，取出后在氮气气氛下进行第三次烧结，第三次烧结程序是：以氮气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至450℃保温2h，然后以6℃/min升温至750℃保温1h，最后随炉自然冷却至室温，即可。
实施例2
第1步，将氧化石墨粉末加入至去离子水中，配制成浓度为2wt%的溶液，再在超声的作用下对溶液进行分散，超声频率是50kHz，超声功率是10W/cm2，超声分散时间60min；
第2步，再将第1步得到的溶液与无水乙醇按体积比是4：1进行混合，升温并回流，然后再加入醋酸钛，使醋酸钛在混合溶液中的浓度是1wt%，并保持回流状态40min；
第3步，将第2步得到的反应液进行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反应液中的浓度是1.6wt%，进行冰浴反应5h之后，将沉淀离心滤出，再依次经过无水乙醇、去离子水洗涤，烘干得到RGO /TiO2纳米粉体；
第4步，将RGO /TiO2纳米粉体与甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比20： 20： 8： 0.1混合成过渡层浆料；
第5步，采用孔隙率是60%的多孔氧化铝材料作为基材，以浸浆法将过渡层浆料涂覆于基材表面，浸浆时间控制在30s，取出后进行烘干，在空气气氛中再进行第一次烧结，再在氢气气氛中进行第二次烧结，第一次烧结程序是：以空气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至500℃保温3h，然后以7℃/min升温至920℃保温2h，再以8℃/min升温至1060℃保温2h，最后随炉自然冷却至室温；第二次烧结程序是：以氢气为烧结气氛，首先以6℃/min从室温升温至400℃保温2h，然后以4℃/min升温至720℃保温4h，再以6℃/min升温至880℃保温1h，最后随炉自然冷却至室温；
第6步，将Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比45： 12： 6： 4： 18： 4混合均匀，作为表层浆料，再将第5步得到的烧结材料浸于表层浆料中，取出后在氮气气氛下进行第三次烧结，第三次烧结程序是：以氮气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至550℃保温3h，然后以6℃/min升温至780℃保温2h，最后随炉自然冷却至室温，即可。
实施例3
第1步，将氧化石墨粉末加入至去离子水中，配制成浓度为0.7wt%的溶液，再在超声的作用下对溶液进行分散，超声频率是40kHz，超声功率是7W/cm2，超声分散时间优选50min；
第2步，再将第1步得到的溶液与无水乙醇按体积比是3：1进行混合，升温并回流，然后再加入醋酸钛，使醋酸钛在混合溶液中的浓度是0.7wt%，并保持回流状态30min；
第3步，将第2步得到的反应液进行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反应液中的浓度是0.9wt%，进行冰浴反应4h之后，将沉淀离心滤出，再依次经过无水乙醇、去离子水洗涤，烘干得到RGO /TiO2纳米粉体；
第4步，将RGO /TiO2纳米粉体与甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比20：18：6：0.081混合成过渡层浆料；
第5步，采用孔隙率是50%的多孔氧化铝材料作为基材，以浸浆法将过渡层浆料涂覆于基材表面，浸浆时间控制在25s，取出后进行烘干，在空气气氛中再进行第一次烧结，再在氢气气氛中进行第二次烧结，第一次烧结程序是：以空气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至450℃保温3h，然后以7℃/min升温至910℃保温1h，再以7℃/min升温至1050℃保温2h，最后随炉自然冷却至室温；第二次烧结程序是：以氢气为烧结气氛，首先以6℃/min从室温升温至340℃保温1h，然后以4℃/min升温至650℃保温3h，再以5℃/min升温至860℃保温0.7h，最后随炉自然冷却至室温；
第6步，将Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比43：9：5：3：13：3混合均匀，作为表层浆料，再将第5步得到的烧结材料浸于表层浆料中，取出后在氮气气氛下进行第三次烧结，第三次烧结程序是：以氮气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至480℃保温3h，然后以6℃/min升温至760℃保温2h，最后随炉自然冷却至室温，即可。
对照例1
与实施例3的区别在于：过渡层浆料中未加入氧化石墨粉末。
第1步，将去离子水与无水乙醇按体积比是3：1进行混合，升温并回流，然后再加入醋酸钛，使醋酸钛在混合溶液中的浓度是0.7wt%，并保持回流状态30min；
第2步，将第1步得到的反应液进行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反应液中的浓度是0.9wt%，进行冰浴反应4h之后，将沉淀离心滤出，再依次经过无水乙醇、去离子水洗涤，烘干得到RGO /TiO2纳米粉体；
第3步，将RGO /TiO2纳米粉体与甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比20：18：6：0.081混合成过渡层浆料；
第4步，采用孔隙率是50%的多孔氧化铝材料作为基材，以浸浆法将过渡层浆料涂覆于基材表面，浸浆时间控制在25s，取出后进行烘干，在空气气氛中再进行第一次烧结，再在氢气气氛中进行第二次烧结，第一次烧结程序是：以空气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至450℃保温3h，然后以7℃/min升温至910℃保温1h，再以7℃/min升温至1050℃保温2h，最后随炉自然冷却至室温；第二次烧结程序是：以氢气为烧结气氛，首先以6℃/min从室温升温至340℃保温1h，然后以4℃/min升温至650℃保温3h，再以5℃/min升温至860℃保温0.7h，最后随炉自然冷却至室温；
第5步，将Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比43：9：5：3：13：3混合均匀，作为表层浆料，再将第4步得到的烧结材料浸于表层浆料中，取出后在氮气气氛下进行第三次烧结，第三次烧结程序是：以氮气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至480℃保温3h，然后以6℃/min升温至760℃保温2h，最后随炉自然冷却至室温，即可。
对照例2
与实施例3的区别在于：在经过中间层第一次烧结之后，未经过第二次氢气气氛烧结，使中间层仍然保持为氧化钛材质。
第1步，将氧化石墨粉末加入至去离子水中，配制成浓度为0.7wt%的溶液，再在超声的作用下对溶液进行分散，超声频率是40kHz，超声功率是7W/cm2，超声分散时间优选50min；
第2步，再将第1步得到的溶液与无水乙醇按体积比是3：1进行混合，升温并回流，然后再加入醋酸钛，使醋酸钛在混合溶液中的浓度是0.7wt%，并保持回流状态30min；
第3步，将第2步得到的反应液进行冰浴，然后加入LiOH·H2O，使LiOH·H2O在反应液中的浓度是0.9wt%，进行冰浴反应4h之后，将沉淀离心滤出，再依次经过无水乙醇、去离子水洗涤，烘干得到RGO /TiO2纳米粉体；
第4步，将RGO /TiO2纳米粉体与甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比20：18：6：0.081混合成过渡层浆料；
第5步，采用孔隙率是50%的多孔氧化铝材料作为基材，以浸浆法将过渡层浆料涂覆于基材表面，浸浆时间控制在25s，取出后进行烘干，在空气气氛中再进行第一次烧结，第一次烧结程序是：以空气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至450℃保温3h，然后以7℃/min升温至910℃保温1h，再以7℃/min升温至1050℃保温2h，最后随炉自然冷却至室温；
第6步，将Si3N4粉末、hBN粉末、Nb2O5粉末、甘油、去离子水、甘油单硬脂酸酯按照重量比43：9：5：3：13：3混合均匀，作为表层浆料，再将第5步得到的烧结材料浸于表层浆料中，取出后在氮气气氛下进行第二次烧结，第二次烧结程序是：以氮气为烧结气氛，首先以3℃/min从室温升温至480℃保温3h，然后以6℃/min升温至760℃保温2h，最后随炉自然冷却至室温，即可。
将上述制备得到的摩擦材料表面经丙酮清洗之后，进行摩擦效果的测试，测试方法如下：
将上述实施例和对照例得到的摩擦材料制成5mm×5mm×10mm的销试样，端面倒角，再以氧化铝基材制成Φ44×6mm盘试样，在MM U-5C销-盘式摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，水润滑方式是滴定法，蒸馏水通过Φ3 mm的细铜管以(1/3)滴/s的流速滴在摩擦表面上。试验参数为：载荷10 N，线速度0 66 m/s，磨程850 m。
摩擦因数由试验机自动记录，并由其数据处理软件输出．在精度为0.1 mg的光电天平上称量磨损前、后的质量(称量前试样均经超声清洗10 min)，通过计算获得体积磨损率．在本试验条件下。体积磨损率的值低于10-6mm3/(N·m)数量级时，测量值为0。体积磨损率计算公式如下：
Vm=Δm/P·S·ρ；
式中：Vm为体积磨损率,mm3/(N·m)；Δm为磨损后的质量损失,g；P为载荷，N；S为磨程，m；ρ为试样的密度,g/cm3。
在依次经过200m、500m、1000m磨程之后，摩擦因数和销磨损率如下所示：
从上表中可以看出，本发明提供的摩擦材料具有较小的摩擦因子，说明其摩擦性能优异，同时经过1000m摩程之后，其表面质量损失小。另外实施例3与对照例1相比可以看出，通过在中间层中加入氧化石墨烯，利用其具有有大比表面积性质，可以作为模板，在烧结去除之后，可以形成较好的氧化钛中空结构，能够较好的产生吸浆作用，提高表层的致密性，提高摩擦性能；实施例3与对照例2可以看出，通过氢气气氛还原可以有效地扩展氧化钛结构的中空程度，降低摩擦因子和降低摩擦损失。