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高耐磨陶瓷轴承材料增韧补硬技术及性能预报方法研究

与钢制轴承相比，陶瓷轴承具有摩擦系数小、自润滑和高转速等优异特性，已广泛应用于航空航天、船舶和高端装备等领域。然而，受复杂工况或冲击载荷影响，陶瓷轴承使用中易出现剥落或脆性开裂失效等问题，其性能受到严重制约，因此提高陶瓷轴承韧性和强度成为发挥其优势的关键技术之一。针对目前陶瓷材料强韧化研究中应用的“试错法”实验暴露出的盲目性大、耗时费力以及强化材料韧性与提高硬度无法兼顾的问题，提出了陶瓷材料强韧化力学性能预报方法和石墨烯增韧晶须补硬技术。以应用最为广泛的Si₃N₄陶瓷材料为对象，基于德劳内三角剖分法则和伪随机函数法建立了多层石墨烯(MLG)/晶须(Si₃N_4w)增韧补硬Si₃N₄陶瓷力学性能预报模型，对模型的断裂韧性和硬度进行了预报并对MLG增韧和Si₃N_4w补硬机理进行了分析。预报结果表明含1 wt% MLG/3 wt% Si₃N_4w的Si₃N₄陶瓷材料具有最佳的力学性能，其断裂韧性和硬度分别达到7.78 MPažm^1/2和23.19 GPa，分别比相关实验值提高36.49%和23.35%。MLG和Si₃N_4w高抗拉强度消耗了裂纹扩展所需的能量以及Si₃N_4w对应力的分散作用成为韧性和硬度提高的主要原因。提出的MLG增韧和Si₃N_4w补硬Si₃N₄陶瓷复合材料力学性能预报方法能够减少试样组分配比盲目性、试样制备数量和实验量，提高研究效率，具备潜在的应用价值。