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张光磊教授:高韧高润滑氮化硅基陶瓷冰刀(轮)获专利
2022年04月18日 发布 分类:技术前沿 点击量:272
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近日,一种高韧性高润滑氮化硅陶瓷冰刀制备方法(专利号202110924895.8)发明专利的公开。该专利是由石家庄铁道大学张光磊教授主持的“高强高润滑氮化硅基陶瓷冰刀(轮)的设计与制备技术研究”的重要成果之一,为滑冰及轮滑运动核心装备的研发奠定了理论和材料基础。

当前世界范围内所实际使用的冰刀以全金属材料或采用金属和其他材料复合为主,在滑行中,保持刀刃的锋利程度,是防止冰刀滑脱保持有效蹬冰力量的基本因素,对于长距离滑行,由于磨损增加,将会导致刀刃明显变钝,运动员有效的倾斜支撑能力下降,从而使有效蹬冰力量降低,影响运动成绩,这就要求金属刀刃必须一用一磨,在这一方面,陶瓷材料明显优于金属材料。氮化硅陶瓷是结构陶瓷家族中综合性能最为优良的一类材料,被认为是最具有发展应用前景的高温结构陶瓷材料之一,具有较高的抗弯强度以及断裂韧性,并且具有较好的耐磨损性和一定的自润滑能力,已被广泛应用在刀具、轴承等领域。

氮化硅陶瓷冰刀

氮化硅陶瓷冰刀(轮)的样品

这项研究主要是理论模拟与试验相结合,沿着“成分-结构-性能-应用”的路径,进行关键材料的开发,突破性能指标。首先采用第一性原理计算方法进行氮化硅基复合陶瓷的成分与原子结构设计,通过添加石墨烯和玻璃相的调控,对陶瓷脆性和强度进行改性研究,确定了最佳配方;然后采用放电等离子烧结和热等静压烧结等工艺,实现了高强韧氮化硅陶瓷的可控制备,样品的断裂韧性超过了10 MPa·m1/2,抗弯强度超过了1000MPa;最后利用数值模拟技术构建物理模型,对不同形状的冰刀在服役状态下的受力和摩擦磨损行为进行仿真计算与模拟分析,以氮化硅陶瓷替代金属合金,既减轻了重量,又大幅度提高了耐磨性,从而开发了一种高强高润滑氮化硅基陶瓷冰刀(轮),为运动员冰雪装备的升级提供了新的路径,为我国先进陶瓷行业开拓了新的领域,对提高运动员成绩,以及推广全民滑冰运动有极大的促进作用。

张光磊教授长期从事先进陶瓷材料的制备与应用研究,主要研究方向是高性能陶瓷材料和绝热节能材料等,先后主持科研和教研项目15项,发表论文70余篇,出版教材和专著7部,授权发明专利13项,获得河北省优秀教学成果三等奖1项、石家庄市科学技术进步二等奖2项。目前担任石家庄铁道大学材料科学与工程学院副院长,超材料与微器件河北省工程研究中心主任,兼任石家庄市政府智库顾问专家,河北建筑装饰业协会幕墙专委会副主任,河北省土木建筑学会建筑节能与绿色建筑学术委员会委员等。


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