陶瓷基复合材料在纯水液压传动中的应用

　　应用新型工程材料是解决水压传动控制元件腐蚀和磨损等问题的重要手段。工程陶瓷由于其优良的性能, 在纯水液压传动中得到了广泛的应用,但其脆性问题限制了它在高速高压条件下的使用。本文将对如何解决工程陶瓷的脆性问题进行了分析与研究。

　　1 工程陶瓷在水压元件中的应用和存在问题

　　鉴于其优良的减摩耐磨、抗腐蚀等特性, 在一些水压元件中已经得到了实际应用。如英国国家工程实验室研制的水下作业系统中使用的海水液压马达, 其柱塞副和配流副就采用了工程塑料和陶瓷组合, 由于陶瓷表面加工精度和粗糙度较高, 因此摩擦损失很小; HYTAR 泵也使用了陶瓷 /工程塑料。日本 Ebara 公司与 Kanagawa 大学合作研制的水压伺服阀 ESV10、ESV80, 主体用不锈钢, 阀芯与阀套使用了陶瓷; 小松轴向柱塞泵滑动轴承采用Si3N4 与增强塑料; 日本 Kayaba 公司和法国 Bron-zvia 航空设备公司联合研制的斜轴式水压泵, 其斜盘副和柱塞副均采用了工程陶瓷和碳纤维增强塑料的组合结构; 德国汉堡工业大学试制的轴向柱塞泵中的滑靴、缸体和斜盘全部使用了陶瓷等。从上述的应用情况来看, 陶瓷多数与不锈钢或工程塑料组成摩擦副, 较少单独使用, 且使用陶瓷的元件尺寸也较小。脆性是现有工程陶瓷在应用时的最大弱点, 限制了它在高速高压条件下的使用。离子键和共价健的微观组织结构使之不易在受力时发生类似金属中的晶间滑移; 相反, 在工程陶瓷成形制作过程中形成的大量气孔夹杂、错位和微观断裂纹等缺陷将成为应力集中源。当元件的尺寸增大时, 各种缺陷与之俱增, 元件的可靠性也随之降低。工程陶瓷较之金属和高分子材料的弯曲强度和抗冲击强度低得多, 使之也不宜用于工况存在振动冲击下的元件。由于陶瓷的各主要力学性能参数具有概率分布特性, 所以金属的设计准则不再适用于陶瓷,而可靠性设计和模糊设计等现代设计方法更具实用价。还有一个限制工程陶瓷应用的因素是它的加工工艺性。陶瓷元件一般是通过制模及高温烧结成形后, 再进行机械加工制成, 因此难以制做结构形状复杂的零件, 硬而脆的特点使之难于用普通的机械加工装备加工, 增加了其制造成本。

　　2 陶瓷的增韧

　　要解决陶瓷脆性问题, 须对陶瓷进行增韧。提高其韧性的方法有:

　　(1) 微裂纹: 在一个大的裂纹尖端有一些微裂纹, 它们可以引起微裂纹的分叉, 使应变能量从相对集中到逐渐扩散, 这样在主裂纹尖端的应力强度就会减少, 因为扩展一系列裂纹所需应力要大于扩展单一裂纹所需的应力, 所以这些微裂纹起到了增韧作用。

　　(2) 颗粒增韧: 在不发生相变的颗粒和裂纹面之间相互作用可以导致增韧, 这种相互作用包括: 在两个粒子之间导致裂纹移位, 裂纹在粒子处发生偏转。