【摘 要】
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具有纳米层状结构的三元化合物MAX相陶瓷由于其块体材料所表现出的高温氧化行为、高损伤容限和抗热冲击性等与摩擦学特性相关的特殊性能,使其有望应用于摩擦领域。已有研究表明,典型的MAX相如Ti3Si C2、Ti3AlC2等在干滑动摩擦条件下与低碳钢盘高速对磨时,摩擦学特性表现优良,这主要与其摩擦面上形成的由Ti和A位元素（Si或者Al）混合氧化物组成的摩擦学薄膜有关。本文利用钛铝碳的A位元素氧化物摩擦
【基金项目】
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国家自然科学基金“面上”项目,A位固溶MAX相材料的自适应摩擦学特性研究（51572017）,2016.01-2019.1； 北京实验室共建项目(现代交通金属材料与加工技术北京实验室项目)； 中国国家留学基金委（201807090027）；
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具有纳米层状结构的三元化合物MAX相陶瓷由于其块体材料所表现出的高温氧化行为、高损伤容限和抗热冲击性等与摩擦学特性相关的特殊性能,使其有望应用于摩擦领域。已有研究表明,典型的MAX相如Ti3Si C2、Ti3AlC2等在干滑动摩擦条件下与低碳钢盘高速对磨时,摩擦学特性表现优良,这主要与其摩擦面上形成的由Ti和A位元素（Si或者Al）混合氧化物组成的摩擦学薄膜有关。本文利用钛铝碳的A位元素氧化物摩擦薄膜对钛铝碳材料摩擦学特性的支配作用,研究具有摩擦学表面自适应的A位固溶钛铝碳材料。本文的研究结果主要包括以下几个方面:（1）以Ti、Al、Si、Sn和TiC粉为原料,制备了系列Ti2Al（1-x）SnxC（0≤x≤1）,Ti3Al0.8Sn0.2C2等A位固溶钛铝碳粉体和块体材料。其中Ti3Al0.5Si0.4Sn0.1C2和Ti3Al0.6Si0.2Sn0.2C2为首次成功合成的同时含三种元素掺杂的A位MAX固溶体材料。（2）对A位固溶钛铝碳块体材料的维氏硬度和弯曲强度等力学特性进行测试和分析,实验结果表明:在Ti3AlC2,Ti3Al0.8Sn0.2C2,Ti3Al0.8Si0.2C2和Ti3Al0.6Si0.2Sn0.2C2体系中,固溶强化作用明显;而在Ti2Al C和Ti2Al0.8Sn0.2C体系中,材料并未表现出固溶强化作用,元素掺杂对MAX相产生强化或者软化的作用机制还不明确。（3）在干滑动摩擦条件下,Ti2Al0.8Sn0.2C、Ti3Al0.8Sn0.2C2和Ti3Al0.8Si0.2C2等A位固溶钛铝碳材料均表现出良好的摩擦学特性,其摩擦表面生成的具有自润滑作用的摩擦氧化膜起到了主要作用。Ti2Al0.8Sn0.2C与Ti2Al C相比,其摩擦系数较小而磨损率较大;Ti3AlC2,Ti3Al0.8Sn0.2C2和Ti3Al0.8Si0.2C2的摩擦系数值大小排列依次为Ti3Al0.8Si0.2C2>Ti3AlC2>Ti3Al0.8Sn0.2C2,而磨损率的表现却基本相反。A位固溶元素种类及含量是影响钛铝碳材料摩擦学特性的内在因素。（4）Ti3Al0.6Si0.2Sn0.2C2在高温氧化过程中形成的氧化层为分层结构,其氧化层的物相组成由外至内依次为:最外层为TiO2和Al2O3混合层;第二层为不连续的SnO2中间过渡层;第三层为TiO2、Al2O3和SiO2的混合氧化物层;最内层为TiO2、Al2O3、SiO2和SnO2的混合层。（5）在实验条件下,Ti3Al0.6Si0.2Sn0.2C2也表现出优良的摩擦学特性。A位固溶元素的掺杂促进了高温氧化层的形成,导致Ti3Al0.6Si0.2Sn0.2C2的氧化速率加快,反而在其干滑动摩擦过程中可作为摩擦润滑膜起到积极作用。（6）滑动速度与法向载荷被认为是影响A位固溶钛铝碳摩擦学特性的主要外在因素。在较低的滑动速度和法向载荷下,摩擦膜零散分布,此时摩擦机制主要是磨粒磨损和粘着磨损,摩擦系数和磨损率较高;当滑动速度和法向载荷增加时,磨屑不断生成并被高速挤压形成连续光滑的摩擦膜,此时磨损机制主要为氧化磨损,材料表现出较小的摩擦系数且数值保持稳定。（7）通过有意识地引入不同种类A位元素固溶的方式来调节由干滑动摩擦诱导生成的Ti、Fe以及多种A位元素混合氧化物组成的摩擦膜的物相和化学状态,进而使钛铝碳材料的摩擦学特性具有可调控性是可行的,使得该体系材料可适用于不同摩擦工况以扩大其应用范围。
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