（材料学专业论文）铜石墨二硒化铌固体自润滑复合材料的制备及摩擦性能研究.pdf

学位论文版权使用授权书 i i iiiuiii iii ii i1 1 111i y 18 9 5 3 6 2 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向 社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密西。 学位论文作者签名： 敷碾 讪n 年口s 其o 日 指导教师签名：耥 1 ，l7 年厂月z 口e l 铜石墨二硒化铌固体自润滑复合材料的 制备及摩擦性能研究 s t u d yo np r e p a r e da n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f c o p p e r - g r a p h i t e - n b s e 2s o l i ds e l f - l u b r i c a t i o nc o m p o s i t e s 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 铜一石墨一m o s 2 是一种典型的滑动电接触材料，但铜一石墨一m o s 2 存在如下 问题：m o s 2 的电阻率高，导电性能差；而石墨虽然导电性能好，但在真空环境 中摩擦磨损严重。n b s e 2 具有和m o s 2 类似的晶体结构和摩擦学特性，而电阻率 仅为1 0 4q c r n ，比m o s 2 低六个数量级，比石墨低一个数量级。并且n b s e 2 在真空、低温等特殊状态下也有应用，例如用片状n b s e ：2 - a g 制备的复合材料在 航天飞机的导电滑环上已有成功的应用。同时利用n b s e 2 纳米纤维的各向异性 的特点，可以在提高铜石墨复合材料导电性的同时，改善其换向能力。因而铜 石墨n b s e 2 复合材料有望成为一种新的高性能的复合材料。 本课题研究了铜石墨n b s e 2 固体自润滑材料的性能，采用粉末冶金法将制 备的不同质量百分比含量的纤维状或片层状的纳米n - b s e 2 材料与铜粉、石墨粉 混合均匀，冷压制成小圆盘。采用复压复烧的方法来提高材料的致密性，采用 光学显微镜，s e m ( j s m 7 0 0 1 f 扫描电子显微镜) 等手段表征表面形貌。并在 超低温摩擦磨损机和i ，m t - 2 摩擦试验仪上测试其摩擦性能。实验结果表明： ( 1 ) 采用固相反应法，将硒粉和铌粉按化学计量比3 ：1 在玛瑙研钵中混 合1 5 m i n ，然后放入反应釜盛装的封管的石英管中或直接放入真空、密封的反 应釜中在不同的烧结温度下保温l h 锘l j 备出纤维或片层状的n b s e 2 ，制备的n b s e 2 都具有良好的结晶性和纯度。 ( 2 ) 采用复压复烧的方法制备出铜一石墨n b s e 2 复合材料，x r d 分析表明， 复合材料中生成新的物相c u l 3 3 n b 2 s e 4 。 ( 3 ) 在铜石墨n o s e 2 复合材料中，随着n b s e 2 质量百分比的升高，材料 的密度和电阻率逐渐升高，但两者又有所不同，材料的电阻率是从n b s e 2 质量 百分比为1 是开始上升，且远低于复合材料中不含n o s e 2 时，几乎只有为o 时的一半，而密度的升高是从不含n o s e 2 时开始。 ( 4 ) 常温常压下，铜一石墨一纤维状n o s e 2 复合材料比铜石墨片层状n o s e 2 摩擦学性能要好；在高载荷下，铜石墨一纤维状n o s e 2 复合材料甚至优于铜石 墨复合材料，在真空状态下，无论铜石墨纤维状n o s e 2 还是铜石墨片层状 n o s e 2 复合材料的摩擦系数远低于铜石墨复合材料似为0 2 5 7 ) ，并且两者在 铜一石墨一二硒化铌固体自润滑复合材料的制备及摩擦性能研究 n o s e 2 质量百分比含量6 时达到最小，分别是铜石墨6 w t 纤维状n b s e 2 为 0 1 8 9 ，铜石墨6 w t 片层状n b s c 2 为0 2 0 5 。 ( 5 ) 对比6 w t 片层状纳米n b s e 2 - 铜石墨( b 3 ) 、6 w t 纤维状纳米 6 w t n b s c 2 - 铜一石墨( a 3 ) 、6 w t m o s 2 一铜- 石墨( n ) 、铜一石墨( m ) 在真空下的载荷一 摩擦系数曲线，可以看出m 曲线波动很大，n 曲线有所波动，而a 3 和b 3 的 曲线波动较小。 关键词：纤维状或片层状的纳米n b s e 2 ，铜石墨一n b s e 2 复合材料，电学性能和 摩擦学特性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r a p h i t e c o p p e rc o m p o s i t e sa r et h et y p i c a ls l i d i n ge l e c t r i cc o n t a c tm a t e r i a l s ， b u tt h e s ec o m p o s i t e sh a v et h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：t h em o s 2h a dt h eh i g he l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y a n di n f e r i o re l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y ；a l t h o u g h t h e g r a p h i t e h a s g o o d e l e c t r i c a l ，i t sf r c i c t i o n a lw e a ri ss e r i o u s n b s e 2 丽mt h es i m i l a rc r y s t a l l i n es t r u c t u r e a n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fm o s 2 ，b u tn l ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yi s o n l yl o - 4 n c i n t h a ts i xa m o u n tl e v e l sl e s st h a nt h a to fm o s 2 ，o n el e s st h a nt h e g r a p h i t e i tc a l la l s o u s e di nv a c u u ma n dl o wt e m p e r a t u r e ，e g ，t h es h e e tn b s e 2 0 喀c o m p o s i t eh a d s u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ee l e c t r i cc o n d u c t i o ns l i d i n gr i n go fa e r o s p a c e p l a n e w ec a l l a l s om a k eu s eo ft h ea e o l o t r o p i s mo fn a n o f i b e rn b s e 2t oi m p r o v et h ec o n d u c t a n c e a n dr e v e r s i n gc a p a c i t y c o n s i d e r i n gt h a t , t h e c o p p e r - g r a p h i t e n b s e 2c o m p o s i t ec a n b e c o m ean o v e lh i g hp r o p e r t ym a t e r i a l t h i sr e s e a r c hs t u d yt h ep r o p e r t yo fc o p p e r - g r a p h i t e - n b s e 2s o l i ds e l f - l u b r i c a t e d m a t e r i a l s d i f f e r e m tc o n t e n to fn b s e 2n a n o f i b e r so rs h e e t sw e r ew e l lm i x e dw i t ht h e g r a p h i t ea n dc o p p e rp o w d e r , t h e nw e r ep r e s s e dt of o r mp l a t e sb yp o w d e rm e t a l l u r g i c m e t h o d e m p l o yt h er e p r e s s i n ga n dr e - s i n t e r i n gp r o c e s st oi m p r o v et h ed e n s i t yo f m a t e r i a l t h es a m p l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h es a m p l e sw e r ee s t i m a t e do n u 肝2m u l t i f u n c t i o nf r i c t i o na n dw e a rt e s t e r ，1 1 1 er e s u l t ss h o w e d ： ( 1 ) u s i n gt h em e t h o do fs o l i dp h a s er e a c t i o nt op r e p a r e d ，t h es ea n dn b p o w d e rw e r em i x e df o l l o w i n gt h er a t i oo fs t o i c h o m e t r yo f3 ：1i na g a t em o r e a rf o r 1 5 m i n ，t h e np u tt h em i x e dp o w d e ri np i p es e a l i n gq u a r t za m p o u l ei nr e a c t i o nk e t t l eo r d i r e c t l yi nv a c u u m 、s e a lr e a c t i o nk e t t l ea td i f f e r e n ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r ef o r1h o u r t op r e p a r ef i b e ro rs h e e tn b s e 2 ，t h ep r a p e r e dn b s e 2h a v en i c ec r y s t a l l i n i t ya n d p u r i t y ( 2 ) x r da n a l y s i sr e v e a l st h e r ei san e wp h a s e g e n e r a t ei n t h e t h e c o p p e r - g r a p h i t e n b s e 2c o m p o s i t e w h i c h u s i n gt h ew a yo fr e - p r e s s i n ga n d r e s i n t e r i n g ，a n dd i f f e r e n tp h a s e sf a b r i c a t e di nt h ef o r mo fm e c h a n i c a lb o n d i n g ( 3 ) w i t ht h e r a i s i n go fc o n t e n to fn b s e 2 ，b o t ht h ed e n s i t ya n de l e c t r i c a l m 铜一石墨一二硒化铌固体自润滑复合材料的制备及摩擦性能研究 p r o p e r t y o fc o p p e r - g a r p h i t e - n b s e 2 i m p r o v i n g ，w h i l e ，d i f f e r e r n t f r o mt h ed e n s i t ) r w h i c hi sa l lh i g h e rt h a nt h eo i l eo fc o p p e r - g r a p h i t e n b s e 2 0 w t ，t h er e s i s t i v i t yi s a l m o s th a l fo ft h eo n eo f c o p p e r - g r a p h i t e - n b s e 2 0 w t n ( 4 ) a tn o r m a lt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，c o p p e r - g r a p h i t e f i b r o u sn b s e 2h a s b e t t e r t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e st h a nc o p p e r - g r a p h i t e s h e e tn b s e 2 ；w h e na th i g e r l o a d ，t h e p r o p e r t y o f c o p p e r - g r a p h i t e c o m p o s i t e e v e nb e t t e rt h a nt h e c o p p e r - g r a p h i t e n b s e 2c o m p o s i t e i nv a c c u m , b o t hc o p p e r - g r a p h i t e - f i b r o u sn b s e 2 a n d c o p p e r - g r a p h i t e s h e e tn b s e 2 a l lh a v el o w e rc o e f f i c e n to ff r i c t i o nt h a n c o p p e r - g r a p h i t ec o m p o s i t e 似i s0 2 5 7 ) ，a n dw h e nt h em a s sc o n t e n to fn b s e 2i s 6 ，t h ee o e f f i c e n to fm c t i o no f c o p p e r - g r a p h i t e f i b r o u s n b s e 2 a n d c o p p e r - g r a p h i t e - s h e e t n b s e 2 g e t t ot h el o w e s t v a l u e ，0 1 8 9 a n d 0 2 0 5 ，r e s p e c t i v e l y ；w h e nt h e m a s sc o n t e n to fn b s e 2i nt o t a le x c e e d 6 ；t h e t r i b o l o g i c a lp r o p e r t yo fc o p p e r - g r a p h i t ei sb e t t e rt h a nt h ec o p p e r - g r a p h i t e - m o s 2 ( 5 ) c o m p a r e d t h ec u r v eo fl o a d f r i c t i o nc o e f f i c i e n t o f6 w t n a n o s h e e t n b s e 2 。c o p p e r - g r a p h i t e ( b 3 ) ，6 w t n a n o f i b e rn b s e 2 - c o p p e r - g r a p h i t e ( a 3 ) a n dw t 6 m o s 2 一c o p p e r - g r a p h i t e ( 如w i t hc o p p e r - g r a p h i t e ，t h ef l u c t u a t i o no f c u r v emi ss t r o n g ，ni sal i t t l es t r o n g , a 3a n db 3a r ew e a k k e yw o r d s ：n b s e 2n a n o f i b e r so rs h e e t s ，t h ec o p p e r - g r a p h i t e - n b s e 2c o m p o s i t e s ， e l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n d t r i b o l o g i c a l i v 江苏大学硕士学位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 目录 绪论1 j j i 言1 固体自润滑材料。1 金属基固体自润滑复合材料3 铜基固体自润滑复合材料。5 铜基石墨自润滑复合材料6 1 5 1铜基石墨自润滑复合材料的结构和成分特性6 1 5 2 铜一石墨自润滑复合材料的性能及应用现状8 1 5 3 铜一石墨- m o s 。电刷的发展现状8 选题的意义和主要研究内容9 1 6 1 选题的意义9 1 6 2 主要研究内容1 0 二硒化铌的制备及组织结构分析1 1 弓i 言1 1 二硒化铌的制备1 1 2 2 1 试验所需药品1 1 2 2 2 试验所需仪器1 1 2 2 3 二硒化铌的制备1 1 二硒化铌的组织结构分析一1 2 2 。3 1 材料表面形貌分析1 2 2 3 2 材料物相分析1 3 本章小结1 6 铜一石墨一二硒化铌自润滑复合材料的制备及组织结构分析17 引言1 7 铜一石墨一二硒化铌白润滑复合材料的制备1 7 3 2 1 铜一石墨自润滑复合材料制备方法1 7 3 2 2 粉末冶金法制备铜一石墨一二硒化铌自润滑复合材料1 8 铜一石墨一二硒化铌自润滑复合材料的组织结构及物相分析2 1 本章小结2 4 v 铜一石墨一二硒化铌固体自润滑复合材料的制备及摩擦性能研究 第四章铜一石墨一二硒化铌自润滑复合材料的物理性能及机械性能研究2 5 4 1 引言2 5 4 2 材料密度2 5 4 3 材料抗弯强度2 7 4 4 材料电阻率2 8 4 5 本章小结j 2 9 第五章铜一石墨一二硒化铌自润滑复合材料的摩擦学性能及机理研究3 0 5 1 引言3 0 5 1 。1铜基石墨自润滑复合材料的摩擦磨损机理3 0 5 1 2 铜一石墨一二硫化钼自润滑复合材料的摩擦磨损特点3 1 5 2 主要实验设备3 4 5 2 1u m t - 2 多功能摩擦磨损试验机3 4 5 2 2 u c t - t 4 0 0 0 高真空超低温摩擦磨损试验仪3 5 5 3 实验结果及分析3 8 5 。4 本章小结4 3 第六章结论与展望4 4 参考文献4 6 致谢5 0 在读期间发表论文5 1 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 任何相互接触、相对运动的机构或零件都会产生摩擦磨损，磨损是机械 零件失效最主要方式之一，其占零件失效总量的6 0 8 0 【1 - 2 1 。由此可见，机器 零件的摩擦磨损，是构成能源与材料大量损耗的主要因素。因此，防止机器 零部件的磨损损失，是现代机械制造业的重要任务，引起了世界各国科学工 作者的广泛关注。固体润滑现象是很复杂的，影响因素也很多。负载、速度、 温度、环境介质气氛、接触形式和运动形式等都与润滑效果直接有关。稍微 改变其中的某一因素，就可能导致润滑效果的急剧改变。这就是说，固体润 滑材料的润滑特性是工况条件与材料的机械、物理和化学性能综合反映的结 果。 润滑是减少摩擦、降低磨损的最为有效的措施。一般的方法是使用润滑 油或润滑脂，但在高温、真空、低速、重载、不易形成润滑油膜或油膜易失 效等恶劣特殊工况条件下，零部件一般不易采用润滑油或润滑脂进行润滑， 此时自润滑材料显示了其独特的优越性。自润滑是由自润滑材料本身含有的 润滑剂在摩擦过程中逐渐转移到摩擦表面形成润滑转移膜实现的。自润滑复 合材料按基体材质可分为金属基、非金属基两大类，其中金属基自润滑复合 材料不仅具有金属基体材料优良的机械性能、同时又具备固体润滑剂的润滑 特性，适应在不同苛刻工况条件下使用，在家用电器、纺织机械、食品机械、 精密机械、军工以及电工等工业获得了广泛的应用。 高性能自润滑材料的研究和开发是解决特殊工况条件下润滑问题的重要 途径，本文通过对纳米级二硒化铌材料的制备，粉末冶金法，复合材料配方 和工艺的优化，制备出电学性能及摩擦学性能优良的铜石墨二硒化铌自润滑 复合材料，并系统地研究了其电学、摩擦学性能，分析其摩擦磨损特性及机 理。这对拓宽铜基复合材料的应用具有一定的指导意义。 1 2 固体自润滑材料 如果机器时而停止转动，时而显得沉重，时而发出吱吱的尖叫声，那就 铜一石墨一二硒化铌固体自润滑复合材料的制备及摩擦性能研究 要给它擦油，这几乎成了人们的一种无意识的行为。一提到润滑，人们会很 自然的想到润滑油。但随着现代工业的发展，润滑油和润滑脂由于其易蒸发 的缺点，使其在许多工况条件下已经不适用，特别是在宇宙空间这种特殊环 境下，使用的矿物润滑油的蒸汽压很高，不能在1 0 - 1 p a 以上的超高真空中长 时间使用，而在高度为1 0 0 0 公里的宇宙空间，真空度就可达到1 0 也一1 0 弓p a ， 这样的工况条件已经超越了润滑油和润滑脂的使用极限，这就促使人们去寻 找新的润滑材料。固体润滑材料能满足高负荷、高真空、高低温、强辐射和 强腐蚀等特殊工况下对润滑的要求，能适应复杂的工作环境，为机械设备实 现大型化、微型化、高速、重载和自动控制等创造了有利条件固体润滑材料 还可以延长机器寿命，提高机械设备的可靠性和经济性【弼】。 固体润滑剂是何时开始使用的昵? 据报道【q ，在十九世纪产业革命期间， 诸如石墨、铅、锡等都已作为润滑剂在低速运转的机器上使用了。美国在1 9 世纪8 0 年代就启用了二硫化铝润滑。但这些都只是限于试验规模，其实际用 量还的确太少。在二次世界大战中，固体润滑作为研究对象被提出来了，一 些研究所和科研机构都进行过研究，这为以后对固体润滑的研究奠定了良好 的基础。 1 9 5 7 年，苏联人造卫星发射成功，揭开了人类进入宇宙时代的序幕，把 固体润滑的研究推进到一个新的阶段，但是由于人造卫星润滑不良而屡出故 障，类似的润滑问题不仅发生在人造卫星上，而且也发生在运载人造卫星的 火箭上。运载卫星的火箭，如果使用液体燃料，用作推进剂的是煤油和液氢， 用作氧化剂的是液氧，而液氧和液氢是沸点分别为一1 8 3 和一2 5 3 的超低温液 体川，因而在将它们从储罐加压输送到燃料室的涡轮泵的支撑轴上时，就不 能使用润滑油，特别是液氧，因其一旦与润滑油混合就有发生爆炸的危险， 所以涡轮泵上的滚动轴承就只能采用固体润滑剂嗍。 _ 1 9 6 0 年全世界生产的添加m o s 2 的润滑油和润滑脂的产量达到5 万吨网。 引人注目的是在1 9 6 5 年，将m o s 2 添加的润滑脂规定为汽车悬架用润滑剂。 从此，固体润滑剂的用量开始不断增加。 固体润滑不仅可以用于无油润滑的干摩擦场合，也可以广泛应用于有油 润滑的场合，形成流体润滑+ 固体润滑的混合润滑。因为机械设备的载荷、速 2 江苏大学硕士学位论文 度、温度等工作参数日益提高，摩擦副往往处于极压工作情况下，即在接触 区不能保证全油膜润滑，而是处于边界润滑状态，大部分载荷要由固体表面 来承担。在这种情况下，不能单纯依靠润滑油与固体表面形成的边界润滑膜， 而采用性能优良的固体润滑涂层来承担载荷，就可以十分有效地降低摩擦和 提高零件的耐磨性。在大量基础零件上，如滑动轴承，滚动轴承，齿轮，缸 套，活塞环，滑动密封以及工模具等等，如能合理利用固体润滑涂层，就会 在减小摩擦，节约能源，延长寿命，提高可靠性方面获得显著效益，其潜力 是非常巨大的。 实现固体润滑的方法大致分为：使用固体润滑粉末，固体润滑覆膜和固 体润滑涂层。以往的研究侧重于单一种固体润滑材料，而实际的工况是很复 杂的，单一的固体润滑剂往往难以满足实际需要，而多种固体润滑剂的摩擦 机理相当复杂，还远远没有进行深入的研究。 1 3 金属基固体自润滑复合材料 金属基复合材料由于具有高的比强度、比模量、耐高温、耐磨损以及热 膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的物理性能和力学性能，克服了树脂基复 合材料在宇航领域中使用时存在的缺点，得到了令人瞩目的发展，成为各国 高新技术研究开发的重要领域。美国从2 0 世纪6 0 年代就开始对金属基复合 材料进行了研究，7 0 年代转入实用化阶段，到了8 0 年代开始大量在航空、航 天工业中应用。日本不仅成功地大规模制造出了长纤维、晶须等多种类型的 金属基复合材料的增强体，还首先在气缸体活塞上应用了氧化铝短纤维增强 铝合金基复合材料，并实现了大规模工业化生产。 目前，金属基复合材料已在航空航天、军事领域及汽车、电子仪表等行 业中显示出了巨大的应用潜力。但是由于加工工艺不够完善、成本较高，金 属基复合材料的广泛应用受到一定限制。 金属基固体自润滑材料是固体润滑剂作为润滑组元加入到金属基体中形 成的复合材料，它兼有金属基体的特性和固体润滑剂的摩擦学特性，适应在 各种不同的大气条件环境，化学环境、电气环境和高温、高真空等特殊环境 条件下使用。为保障复合材料有高的承载能力，金属基体必须具有高强度， 3 铜一石墨一二硒化铌固体自润滑复合材料的制备及摩擦性能研究 要降低摩擦、减少摩擦副摩擦系数，复合材料应有足够的固体润滑剂含量， 而过高的固体润滑剂含量势必影响自润滑材料的整体强度与硬度，降低承载 能力，即自润滑复合材料必须在强度与润滑性能之间加以妥协，强度与润滑 性能的配合协调问题一直是该领域的研究热点之一，有研究表明，在镍基合 金中添加适量的稀土氟化物，可以获得高强度和优异摩擦学性能相互统一的 高温自润滑复合材料【1 2 1 。 根据金属基体材质的不同，金属基固体自润滑材料有许多类，分别适应 于不同的工况条件。2 0 世纪7 0 年代，在m o 、n b 、t a 、w 等难熔金属中添 加g r 、p b o 、a g 、m o s 2 制备的自润滑复合材料受到人们的普遍关注，这类材 料有高的机械强度，低的摩擦系数，优异的耐磨性和良好的转移润滑性能， 适用于极限条件下工作。研究表明，4 0 8 0 w 和2 0 6 0 m o s 2 组合的自润滑 材料有较高的强度与摩擦学性能【1 3 - 1 4 1 。由于这些材料均属贵重材料，价格昂 贵，特别是成型困难、工艺复杂，目前逐渐被n i 基、c o 基、n i c r 基等高温 耐热合金所制备的自润滑复合材料所取代。将s 、m o s 2 、b f 2 一c a f 2 共晶体、 软金属等添加到镍或镍铬合金基体中制备的自润滑复合材料，在6 0 0 1 1 0 0 高温环境下具有良好的润滑性能。李诗桌等人用自生氧化物减摩性制成了 n i c u r e 高温自润滑合金，获得了高温下0 2 - 0 3 的摩擦系数；在n i c r 合金 基体中，s 、m o s 2 的加入与c r 在高温烧结时，有新相c r 2 s 3 生成，电子衍射 分析表明c r 2 s 3 为六方晶系，a 轴为5 9 4 a ，c 轴为1 1 1 8 8 5 l ，原子层间易于滑 动，是一种较好的润滑相，实际上，s 与c r 反应不只是生成c r 2 s 3 ，还有多 种硫化物生成( c r s 、c r 5 s 6 、c r t s 8 ) ，分别属于六方晶系或单斜晶系，其熔点都 比较高，当它们形成共晶后，熔点可由1 3 0 0 左右降低到6 0 0 9 0 0 ，并在 高温中易于变形，故在摩擦过程中，由c r ；s v 形成的表面膜可起润滑作用【1 5 1 6 1 。 n i 基、c o 基、n i c r 基合金自润滑复合材料主要用于5 0 0 以上工况条件； 5 0 0 以下应考虑使用铁、铜、铝等金属与合金自润滑复合材料铝基材料由于 密度小、价格便宜、耐腐蚀和导电性好、摩擦系数低、与其他材料相比，在 制作滑动轴承方面具有更为理想的综合性能，越来越普遍地被作为汽车轴承 类自润滑材料使用。单纯的铝金属基体强度、硬度较低，通常采用m s n 系、 s i 系、舢c u 系、a i - m g 系、砧z 1 1 s i 系等合金基体，添加g r 、p b 、m o s 2 4 江苏大学硕士学位论文 等固体润滑组元的烧结铝基材料具有高的减摩性能，可替代锡青铜材料制作 低温下的滑动轴承材料【捧1 9 1 。然而铝基材料的致命弱点是强度低、耐热性能 差，当温度高于1 0 0 时，晶体结构就开始发生变化，所以铝基自润滑复合材 料一般用在低温低载工况条件下。由于铁基材料价格便宜、制作方便、具有 较高的强度硬度、耐磨性好，所以，铁基自润滑复合材料在室温至中高温度 条件下得到了广泛的应用，使用较多的铁基自润滑材料有f e c u - c 、 f e c u m o c 、f e c u c p b 等 2 0 - 2 1 1 。但由于铁基自润滑复合材料基体硬度高， 并易产生弥散硬质点，易对轴等对偶件产生较大的损伤，且轴承的磨合时间 延长，特别是轴类零件大多为钢铁材料制作，铁基自润滑复合材料与之配对 使用时，由于组织结构相同，物理化学性质相近，而具有亲和性，粘着咬合 倾向性加大，而且铁基材料耐腐蚀性能差，因此在一些特殊场合，铁基材料 要让位于铜基材料。 1 4 铜基固体自润滑复合材料 铜基复合材料在电气工程中的电刷、电极、电触头等之类的电器元件以 及机械工程中的滑动轴承、滑块、滑道、密封件等两大领域得到了广泛的应 用。应用于滑动轴承、滑块、滑道等机械零件用铜基自润滑复合材料，主要 利用固溶强化机制提高其基体强度与硬度，其基体材料分别为各种青铜合金， 其中有铝青铜、磷青铜、锡青铜、铅青铜等。含铅锡青铜具有优良的摩擦学 特性，以及抗氧化、耐腐蚀等性能，在滑动轴承中得到普遍使用，如 c u 1 0 s n 一1 0 p b 、c - u 3 s n 1 7 p b 是最为常见的汽车发动机高压滑动轴承材料，目 前绝大多数滑动轴承类铜基自润滑复合材料都是以锡青铜为基体。锡青铜中 的主要合金元素为锡与锌，它们易溶于铜的基体晶格中，起固溶强化作用， 增强效果显著；同时在合金基体中进一步添加镍、铝、铁等合金元素，镍与铜 在周期表中位置相近，原子半径相差很小，且同为面心立方结构，故彼此能 无限互容形成固溶体，镍铜固溶体具有高的强度和耐热性能，钼、铁合金元 素进一步起到弥散强化的作用1 2 2 - 2 4 1 。 在铜基体中添加石墨、铅、二硫化钼、氧化铅、银等固体润滑剂制成的 铜基固体自润滑材料不仅具有铜基材料良好的机械性能、耐腐蚀、耐磨、抗 5 铜一石墨一二硒化铌固体自润滑复合材料的制备及摩擦性能研究 咬合以及优良的导热、导电等性能，而且也具备润滑剂润滑、减摩等摩擦学 性能，在航空、汽车、电工电子等工业获得广泛的应用【2 5 伽。铅质软易变形、 熔点低、抗咬合性比较好，容易在摩擦副表面形成薄膜，起到很好的润滑减 摩作用，其与铜合金制备的铅青铜和铅铜合金是最主要的铜合金轴承材料， 如c u 1 0 s n 1 0 p b 、c u 3 s n 1 7 p b 是最为常见的汽车发动机高压滑动轴承材料。 但是铅单独作为固体润滑剂使用时，其减摩性能不如石墨、二硫化钼【3 ，而 二硫钼虽然减摩性能非常好，但在高温成型时，易发生氧化与分解，与基体 发生反应生成脆相c u m 0 2 s 3 削弱基体的强度和摩擦学性能【3 2 1 ，使其应用受到 限制，石墨与铅作为组合固体润滑剂同时使用，存在良好的协同润滑效应， 因此，石墨与铅一直作为铜基固体自润滑材料的优选固体润滑组元【3 3 3 q 。然 而，铅及铅化合物属剧毒物质，长期广泛地使用含铅产品会给人类环境带来 不可忽视的危害，随着环保化、绿色化意识的提高，各国对产品涉及环保或 有害物质的企业管理态势更加严格，在追求产品高性能的同时，要求产品无 铅化。随着无铅化规则的实施，铅也将逐渐从铜基自润滑复合材料中消失， 石墨成为铜基自润滑复合材料的主导固体润滑组元。 1 5 铜基石墨自润滑复合材料 1 5 1铜基石墨白润滑复合材料的结构和成分特性 石墨的微观晶体结构如图1 1 所示网，是由许多相互平行的层状原子面 连续叠合而成。在每个层状原子面内，每个碳原子和相邻的3 个碳原子的距 离都相等，排列成正六角形，3 个相邻的碳原予以等强的共价键相连接，两个 相邻共价键的夹角为1 2 0 c 叠在一起的相邻层状原子面依次错开，每隔一层， 碳原子的位置相同成为a b 、a b 、a b 的三度空间有序排列，相邻层状原 子面靠活动在层状原子面之间的兀电子云提供的金属键连接起来，呈密集六 方堆积。 “ 在一般条件下，石墨与其他润滑材料如锡、铅等相比，熔点高( 3 6 0 0 c ) ， 化学惰性较大，在空气中，4 5 0 。c 才开始氧化，生成c o 或c 0 2 【3 8 1 。因此，石 墨是非常理想的高温润滑剂，石墨的耐高温特性是其得天独厚的优势，其他 润滑材料望尘莫及。 6 江苏大学硕士学位论文 一0 4 氟 一 孙 璐 图1 1 石墨晶体结构模型 铜石墨复合材料诞生于2 0 世纪初【3 9 】，是由铜基体与石墨成分构成的金 属基复合材料，其结构如图1 2 所示。 石璺颗粒 铜箸体 图1 2 铜- 石墨复合材料示意图 铜石墨复合材料的铜基体通常是由铜或铜合金构成。铜的密度为8 9 2 x 1 0 3 k g m 3 ，熔点为1 0 8 3 4 。c ，常温下的电阻率为1 6 9 4 x1 0 。8q m ，导热系数 为1 3 8 6 k j ( m h 蛐，屈服强度为3 3 3 m p a ，伸长率为5 0 5 【柏】，是集导电、 导热、强韧等于一身的金属材料，其本身就是极适合于作复合材料的基体。 另外为了进一步提高或保持铜的某种性能，还可以向铜基体内添加合金成分， 进而形成了不同系列的铜合金，来适应不同性能要求的需要。 铜石墨复合材料的石墨成分为石墨颗粒，主要有天然鳞片状石墨粉和高 7 铜一石墨一二硒化铌固体自润滑复合材料的制备及摩擦性能研究 纯石墨粉两种，其常用的颗粒尺寸大小为几微米至数百微米，密度为1 5 1 0 3 k g m 3 ，熔点约为3 6 0 0 ，常温下的电阻率约为8 1 0 缶。1 3 1 0 r 6q m 8 1 1 。 1 5 2 铜一石墨自润滑复合材料的性能及应用现状 铜石墨自润滑复合材料既具有铜基体的高强度、导热快、导电性好，耐 电弧烧蚀等优异性能，又具有石墨的润滑性能好，尤其是高温润湿性能好等 特点，其综合性能优良，是制备现代自润滑摩擦零部件、电接触导电零部件 的理想材料【4 2 】。需求领域非常广泛，遍布于机械传动、交通、军事、航空航 天等需要进行减磨、导电的领域1 4 3 】。铜一石墨复合材料有代表性的特色鲜明的 应用，主要是在自润滑摩擦与电接触导电功能同时需要的电刷等方面。 电刷是电机用来传导电流的关键零部件，电机运行的可靠性在很大程度 上取决于电刷的性能。对电刷性能的基本要求是：许用滑动线速度大、接触 压降低、摩擦系数小、磨损速度小、工作电流密度大，其中导电性和耐磨性 是电刷性能的两个主要指标，将直接影响电机的性能【删l 。 长期以来，世界各国的科学家们经过不断的努力，通过添加其他合金元 素的方法相继开发了钛铜一石墨、锆铜石墨、铬铜石墨、镍铜石墨、铁铜 石墨、镁铜石墨等复合材料，大大地改善了铜石墨电刷的综合性能，开发了 钛铜石墨、锆铜石墨、铬铜石墨、镍铜石墨、铁铜石墨、镁铜石墨电刷等新 型电刷，使得铜石墨电刷成为了广大电机使用领域的中流砥柱。 1 5 3 铜一石墨- m o s 。电刷的发展现状 二硫化钼在电刷中的应用可以追溯到五十年代末、六十年代初，美、英、 法等国相继将二硫化钼添加到电刷中，以达到改善电刷高空性能的目的。英 国的摩根坩埚有限公司在黑色基料的电刷中，直接浸渍二硫化钼材料，或者 将二硫化钼以芯子的形式填充到电刷体内，大大地改善了普通电刷的换向性 能和在高空条件下的耐磨性能。法国罗兰碳素公司不仅在电化石墨类、炭石 墨类电刷中引入二硫化钼新材料，而且在铜石墨电刷中也嵌入二硫化钼芯子， 力图解决各种类型电刷在高空中的使用问题，为电刷的空间使用开辟了广阔 的前景。前苏联除了仿照英法的生产方法外，还发明了一种新型制造方法， 即在原金属航空电刷的基础上，制造一种复合电刷，电刷的一半为原电刷， 8 江苏大学硕士学位论文 另一半为纯二硫化钼材料，中间用绝缘性粘结材料粘结起来。电刷通过改进， 不仅克服了原电刷换向性能较差、寿命较短的局限性，而且扩大了电刷的适 用范围，使电刷的使用高度由1 5 0 0 0 m 提高到2 5 0 0 0 m 以上。二硫化钼用于电 刷较为普及的方法是将二硫化钼以芯子的形式填充到电刷体内【4 6 】。 1 6 选题的意义和主要研究内容 1 6 1 选题的意义 铜石墨m o s 2 是典型的滑动电接触材料，广泛用于电机的固定部件和旋 转部件( 换向器或集电环) 之间传导电流1 4 7 - 5 2 。它使电机，仪表和电气装置 上相互滑动部件之间顺利通过电流并完成相对运动。工作时有电和机械力的 相互作用，出现摩擦，磨损温度升高和化学反应等复杂过程。对于滑动电接 触材料，要求其具有低接触电阻，以减少电功率损耗；同时又希望其具有低 摩擦磨损。铜石墨m o s 2 主要依靠c u 改善材料的导电导热能力，依靠石墨 和m o s 2 的减摩和自润滑来改善材料的摩擦学特性【5 3 】。但铜一石墨m o s 2 存在 如下问题： ( 1 ) m o s 2 的电阻率高，导电性能差，当滑动电接触材料在有大电流的 情况下，会产生电火花，使温度升高，造成局部空气稀薄，而石墨虽然导电 性能好，但在真空环境中摩擦磨损严重。这些会造成接触电阻不稳定，引起 噪音。 ( 2 ) 石墨，m o s 2 较软，使得电接触材料的承载能力，耐磨性，抗熔焊 能力低。 ( 3 ) 石墨，m o s 2 的导电导热性能差，在大电流，高速电机中，接触表 面温升过高，使得吸附在表面的水分易于挥发，破坏了表面膜的完整性，造 成磨粒磨损。 随各类电机仪表朝小型化，大电流，高速度方向发展，要求电接触材料 的允许线速度大，接触电压低，摩擦系数小，磨损率低，载流能力大，而铜 石墨电接触材料在性能上难以满足要求。n - b s e 2 具有和m o s 2 类