铜-石墨复合材料的制备及其摩擦学性能研究

2014-12-23孙初锋

山东工业技术 2014年10期

关键词：制备

刘　颖，孙初锋

（西北民族大学化工学院，兰州　730124）

铜-石墨复合材料的制备及其摩擦学性能研究

刘颖，孙初锋

（西北民族大学化工学院，兰州730124）

【摘要】铜-石墨复合材料有良好的导电导热性、耐磨减磨性、耐烧蚀性等优点，其在电接触材料、摩擦减磨等领域中的应用潜力已引起了广泛的关注。因此，本文就现阶段铜-石墨复合材料的制备及其摩擦学性能进行了简略的评述，并对今后的研究方向进行了讨论。

【关键词】铜-石墨复合材料；制备；摩擦学性能

1　引言

载流摩擦副是指具有通过电流功能的摩擦副。载流摩擦副的正常失效以擦伤为主，同时还有磨粒磨损、腐蚀磨损及氧化磨损；非正常失效包括电烧蚀、冲击断裂、胶合等。随着对载流摩擦副使用条件的日益苛刻，传统材料已无法满足现在的要求，需要对材料进一步的改进[1]。

集良好的接触润滑性、高导电导热率、低的热膨胀系数、耐熔焊、耐磨和耐电弧烧蚀等特性于一身的铜-石墨复合材料，已被广泛的用于电接触材料、机械零件材料和摩擦减摩材料等领域中。然而铜和石墨即使在1000℃时润湿角也高达140°，所以只能机械互锁的铜/石墨界面的结合强度较低，成为了限制铜-石墨复合材料应用的瓶颈问题[2]。因此本文就近年来铜-石墨复合材料的制备方式和摩擦性能进行了较浅的研究。

2　铜-石墨复合材料的制备

铜-石墨材料的摩擦学性能，取决于铜基体的性能、石墨与铜的结合强度及石墨在磨损界面形成润滑膜的情况，因此复合材料组分的选择、实验条件的控制对复合材料的性能至关重要。

2.1机械合金化的铜-石墨复合材料

冉旭等[3]采用机械合金化后冷压成型和500℃放电等离子烧结（SPS）两种工艺分别制备了铜-石墨复合材料。XPS分析结果表明，相比于单一铜基，石墨的加入减少了材料对偶件的磨损和摩面间颗粒在磨损过程中的氧化。并且，石墨的含量能够显著的影响复合材料的摩擦磨损行为，原子分数为10％～31％的复合材料的摩擦系数和磨损率均随石墨含量的增加而明显下降，磨损也由无石墨时的粘着磨损转变为疲劳剥层磨损。此外，放电等离子烧结工艺制备的复合材料较加压成型工艺制备的复合材料有更好的耐磨减磨性能。摩擦系数和磨损率均随SPS温度的升高呈现下降趋势，且犁沟的深度和宽度显著减少。

徐晓峰等[4]用电解铜粉和石墨粉经混合制备了Cu/5％石墨、Cu/10％石墨、Cu/15％石墨的铜-石墨复合材料。实验研究表明，石墨含量对摩擦因数和磨损率、载流磨损机制、载流效率和载流稳定性均有一定的影响作用。其中，随着摩擦速度的增加，每种复合材料的摩擦因数均呈增加的趋势，Cu/5％石墨复合材料的磨损率增加，其余两种材料的磨损率呈下降的趋势。此外，Cu/10％石墨复合材料的载流摩擦磨损性能良好，机理研究表明，该复合材料在载流摩擦过程中凭借自身形成的石墨膜和氧化膜较好的避免了由于铜的亲和力造成的粘着磨损，最终使材料保持了良好的润滑性能。

2.2镀铜石墨/铜复合材料

研究表明，通过在石墨表面镀铜，可以增强铜基体与石墨的界面结合力。李雪飞等[5]将经过表面处理后的石墨进行化学镀铜，然后将镀铜石墨与不镀铜石墨分别与电解铜粉进行混合，最终得到两种石墨/铜复合材料。实验结果表明，两种复合材料的摩擦因数均随石墨含量的增加而减小，随滑动速度的增大而增大。镀铜石墨/铜复合材料在载流摩擦条件下的摩擦因数随着石墨含量的增加而显著降低，在石墨质量分数为10％时的复合材料的磨损率为最低。SEM结果表明，在载流摩擦过程中，镀铜石墨/铜复合材料随着摩擦条件的不同而存在着粘着磨损、磨粒磨损和电弧烧蚀磨损机制。

2.3二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料

MoS2是一种在高温干燥条件下仍具有良好自润滑性的固体润滑材料，朱城楠等[6]利用二硫化钼和石墨这两种固体润滑剂的协同互补作用完成了对铜-石墨复合材料的磨损性能的改善。他们通过用适量的二硫化钼取代部分石墨，采用传统的粉末冶金法制备了不同二硫化钼质量分数的二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料和二硫化钼-铜-石墨复合材料。结果显示，二硫化钼-铜-镀铜石墨复合材料比二硫化钼-铜-石墨复合材料的耐磨性好、磨损量小，随着二硫化钼质量分数的增加，两种复合材料的磨损率都呈现出了先减小后增加的趋势，当二硫化钼的质量分数为2％时，复合材料的耐磨性最好、磨损率最小。SEM表征结果显示，不加二硫化钼的复合材料的磨面粗糙、犁沟多且深，存在着局部石墨团簇现象；而用相同质量的二硫化钼取代石墨后的复合材料，其磨面变得光滑、犁沟变浅。机理研究表明，不含二硫化钼的复合材料在磨损过程中，其局部存在的石墨团聚区易大块脱落，从而形成局域空洞，使周边金属基体发生颗粒剥落，从而产生了梨削磨损；用二硫化钼取代石墨后，铜基体在复合材料中的体积增加、基体结合面积增大，从而石墨局部团聚减少，就不易再发生大块石墨脱落。