纳米石墨微片含量对纳米石墨微片/碳纳米管/银复合材料电摩擦磨损性能的影响

王 娟

（安徽工业经济职业技术学院，安徽 合肥 230051）

纳米石墨微片含量对纳米石墨微片/碳纳米管/银复合材料电摩擦磨损性能的影响

王 娟

（安徽工业经济职业技术学院，安徽 合肥 230051）

采用不同含量的纳米石墨微片制备纳米石墨微片-碳纳米管-银复合材料，研究纳米石墨微片含量对复合材料电摩擦磨损性能的影响。实验发现，复合材料随磨损时间的延长，摩擦系数均不断减小，最终趋于稳定随着纳米石墨微片含量的增加。随着复合材料中纳米石墨微片含量的增加，摩擦系数和磨损量均有下降趋势，接触电压降则相反。载流条件下，电摩擦系数大于机械摩擦系数且电磨损量也大于机械磨损量。

纳米石墨微片含量；摩擦系数；磨损量；接触电压降

碳纳米管(CNT)和纳米石墨微片（Graphene）自1991年和2004年被人们发现的那天起就一直备受瞩目。碳纳米管是一种长径比极大的有特殊结构的一维量子材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，具有很大的比强度。纳米石墨微片是一种特殊的二维碳材料，平面由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格，厚度方向只有一个碳原子。一维碳纳米管、二维纳米石墨微片是碳纳米材料家族的骨干，在一定条件下可以在形式上发生转化[1]。

作为优良的一维和二维碳材料，碳纳米管和纳米石墨微片分别在力学性能、导电性和导热性等方面体现出了一维的和二维的各向异性。将纳米石墨微片和碳纳米管共同用于复合材料将有利于结合两者的优点[2,3]，形成三维网状结构，通过两者之间的协同效应，使复合材料的各向同性导热性[4]、各向同性导电性[5]、三维空间微孔网络[6～8]等特性表现出比任意一种单一材料更加优异的性能。纳米石墨微片/碳纳米管复合材料越来越多的被人们所应用，也使得纳米石墨微片/碳纳米管复合材料的制备和应用得到更加广泛的关注。本文采用粉末冶金法制备纳米石墨微片/碳纳米管/银复合材料，研究纳米石墨微片含量对纳米石墨微片/碳纳米管/银复合材料电摩擦磨损性能的影响，期望对其广阔的发展前景进行论证。

1 实验

实验所用银粉粒度320目，纯度≥98wt%；纳米石墨微片厚度4～20nm，直径5～10μm，纯度≥99.5%（形貌如图1所示）；碳纳米管直径10～30nm，长度5～30μm，纯度≥95%。采用粉末冶金法制备 4种纳米石墨微片含量不同的纳米石墨微片-碳纳米管-银复合材料，具体成分如表1所示。

图1　纳米石墨微片扫描图

表1　样品成分表

摩擦磨损实验按照国家标准 GB12175-90在自制铜质对磨环上进行。分别采用背散射、SEM和XPS观察分析试样磨损前后的显微组织和物相。

2 实验结果及讨论

图2 复合材料的显微组织

图2是复合材料样品3的背散射电子图像，从图中可以看出，碳纳米管和纳米石墨微片均匀分布着银基体上，没有出现团聚现象，保证了金属基体的连续性。

2.1复合材料的摩擦系数

图3 机械摩擦系数与磨损时间关系曲线

图3是4个样品的摩擦系数与磨损时间的关系曲线。从图中可以看出，4个样品的摩擦曲线图趋势相同：磨损初期，摩擦系数较大，而后期摩擦系数趋于恒定。

这是因为样品中的银含量较多，最初的样品与对磨环的摩擦接触中，主要是银与铜接触面积较多，而具有自润滑作用的碳纳米管和纳米石墨微片，与对磨环接触面积小，此时摩擦以“金属-金属”间的摩擦为主要形式，摩擦系数较大。

随着摩擦磨损的持续进行，碳纳米管、纳米石墨微片具有特殊结构，层与层之间的化学键结合较弱，较易断裂，因此它们在摩擦磨损过程中将逐渐“涂抹”在对磨环上，形成一层具有润滑作用的膜，摩擦形式不再是“金属-金属”为主，取而代之的是“金属-润滑膜-金属”，这也解释了随着时间的延长，摩擦系数将逐渐下降并趋于一定值。

对比图 3中四个样品的摩擦系数可以看出，随着样品中纳米石墨微片含量的增加，摩擦系数在不断减小。这是因为纳米石墨微片具有天然石墨的晶体结构——具有杰出的润滑作用，更易形成稳定的润滑膜，且润滑膜中的碳含量更高，因此摩擦系数更低。

图4　10A/cm2,10m/s条件下，摩擦系数随磨损时间变化曲线

图4是4个样品在载流条件下（I=10A/cm2）的摩擦系数，图中显示了与图 3类似的规律，且对比两图可发现，载流条件下的摩擦系数更大。这是由于材料表面粗糙度的存在，试样与对磨环之间的真实接触面积远远小于试样的真实面积。当电流通过接触表面时，产生接触电阻，导致接触处温度升高，材料中的自润滑成分会产生氧化，润滑膜难以形成，“金属-金属”型润滑占主要地位，导致复合材料摩擦系数增加。

2.2复合材料的磨损量

图5　机械磨损量随时间变化关系曲线

图6　磨损初期的粘着现象

图7　磨损后期完整润滑膜的扫描图

图5显示了机械摩擦时的磨损量随时间变化关系，对比4个样品可以看出，随着样品中纳米石墨微片含量的增加，样品的磨损量逐渐减小。前面提到，整个摩擦磨损过程伴随着润滑膜的形成，磨损形式由“金属-金属”型为主的粘着磨损过渡为“金属-润滑膜-金属”型。磨损前期以粘着磨损为主，样品表面明显的粘着撕裂现象，有轻微犁沟（如图6所示）。在摩擦过程中，大量弥散分布的纳米石墨微片可以起到增强基体，钉扎位错的作用，阻碍位错的运动，提高位错滑移所需要的切应力。同时纳米石墨微片是形成润滑膜的主要成分，经历了初期的粘着磨损后，润滑膜逐渐形成，磨损表面随之变得平整光滑（如图7所示）。而样品中纳米石墨微片含量较小时，粘着现象较为严重，难以形成完整的润滑膜，因此磨损量较大。

图8　10A/cm2,10m/s条件下，磨损量与磨损时间关系曲线

载流条件下，摩擦过程中由于摩擦和电流的共同作用，摩擦副产生大量的热，摩擦副接触表面局部温度急剧升高，材料塑性变形加大，破坏摩擦副之间的润滑膜，出现粘着磨损，并伴有局部大量的粘着坑和粘着块，都证明了电磨损过程中出现了较为严重的粘着磨损，从而解释了同一成分试样其电磨损量大于机械磨损量（如图8所示）。

2.3接触电压降(10A/cm2, 10m/s)

接触电压降是电接触材料的主要动态特性之一， 同滑动接触的多种因素相关，在磨损开始阶段，磨损量较小，润滑膜覆盖范围很小，润滑膜产生的电阻小，此时的接触电压降较小。经过一段时间的磨损后，材料中的纳米石墨微片和碳纳米管吸附在接触面上，润滑膜的覆盖面积增大，电压降有所增加。当润滑膜增厚至一定厚度时，由于碳纳米管的研磨作用，阻止润滑膜的进 一步增厚，使润滑膜处于动态平衡状态，因此电刷的电压降趋于稳定。材料中的纳米石墨微片含量越高形成的润滑膜越厚，接触电压降越大（如图9所示）。

图9　10A/cm2,10m/s条件下的接触电压降与磨损时间关系

3 结论

（1）机械摩擦时，摩擦系数前期较大，随后逐渐减小并趋于稳定。电磨损时，同样样品之间比较发现，电摩擦系数大于机械摩擦系数。且随着纳米石墨微片含量的增加，复合材料样品的摩擦系数有减小趋势。

（2）随着样品中纳米石墨微片含量的增加，磨损量不断降低，且由于电磨损过程中润滑膜容易受到破坏，“金属-润滑膜-金属”型摩擦占次要地位，“金属-金属”间的粘着磨损占主体地位，相同成分的样品其电磨损量大于机械磨损量。

（3）由于随着样品中纳米石墨微片含量的增多，更容易在样品与对磨环之间形成润滑膜，因此在电摩擦磨损过程中，接触电压降较大。

[1] 杨永清.石墨及其改性产物研究进展[J].材料导报,2011, 25(15):53-57.

[2] 欧阳玉.碳纳米管的稳定性研究[J].物理学报,2008,57(1): 615-620.

[3] 吴俊青.碳纳米管杂化材料的分散性及分散稳定性研究[J].工程塑料应用,2015,(6):11-15.

[4] 周晓航.石墨烯及其应用技术上的研究开发[J].新材料产业,2015,(2):66-71.

[5] Sundramoorthy A K.Applications of graphene in quality assurance and safety of food[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry,2014,(60):36-53.

[6] Crock C A.Polymer nanocomposites with graphene-based hierarchical fillers as materials for multifunctional water treatment membranes[J].Water Research,2013,(47):3984-3996.

[7] Fang Qile.Synthesis,decoration and properties of threedimensional graphene-based macrostructures:A review[J]. Chemical Engineering Journal,2015,(264):753-771.

[8] Rivera-Utrilla J.Activated carbon modifications to enhance its water treatment applications. An overview[J].Journal of Hazardous Materials,2011,(187):1-23.

Effect of graphite nanosheets content on graphite nanosheets / nanotube / silver composite electrical friction and wear properties

Using different amounts of graphite nanosheets prepared graphite nanosheets - carbon nanotubes - silver composites, graphite nanosheets research content of the composite material for an electrical influence on friction and wear properties. It was found that the composite material with the extension of time of wear, friction coefficient decreasing and eventually stabilized with the increasing content of graphite nanosheets. With the increase of the composite graphite nanosheets content, the friction coefficient and the wear volume has decreased, contact voltage drop and vice versa. Under conditions of the carrier, electric friction coefficient greater than the mechanical wear of the friction coefficient and electrically also greater than the mechanical wear.

Graphite nanosheets content; friction coefficient; the amount of wear; contact voltage drop

TQ16

A

1008-1151(2015)11-0052-03

2015-10-10

安徽高校省级科学研究项目（KJ2013B040）。

王娟（1985－），女，安徽淮南人，安徽工业经济职业技术学院副教授，博士。