乳化沥青对铜石墨受电弓滑板的组织与性能的影响

发布时间：2020-10-09 11:59

　　铜石墨复合材料集铜的高导电、导热性能与石墨优良的润滑性能于一体,是一种拥有优异性能的自润滑材料,被广泛应用电气、轻工、机械制造等多个领域。但由于铜与石墨的界面结合仅为物理的机械结合,使得铜石墨复合材料的性能受到了很大的限制。本论文旨在通过加入乳化沥青来改善铜石墨复合材料的界面结合,研究乳化沥青的加入对铜石墨复合材料的密度、电阻率、硬度及摩擦磨损性能的影响,并通过第一性原理模拟计算来分析乳化沥青的加入对铜和石墨界面结合状态的影响,最终为制备符合实际应用的铜石墨自润滑复合材料提供理论指导,也将对铜石墨受电弓滑板的发展具有重要的科学意义和工程应用意义。本论文采用粉末冶金方法制备出不同石墨含量的铜石墨复合材料,研究乳化沥青的加入对铜石墨复合材料性能的影响,并采用X-Ray衍射(XRD),SEM等现代分析手段来表征所制备的复合材料的物相与显微组织。通过对物理、力学性能的测试,分析乳化沥青的加入对铜石墨复合材料性能的影响,最终的主要结果如下:(1)XRD分析表明,乳化沥青的加入对复合材料的物相影响不大。SEM分析发现,铜石墨复合材料的界面处铜与石墨为物理结合且存在着孔隙,而铜石墨乳化沥青复合材料的界面处出现了薄层状类似于石墨烯结构,且界面处会出现卷曲、弯折等特征形貌。(2)通过对复合材料的密度、导电率及硬度等性能的分析发现,复合材料的密度与硬度会随着石墨含量的增高而降低,但其电阻率会增高;经复压后,复合材料的密度和硬度会显著提升,而其电阻率会有所下降。(3)摩擦磨损性能分析表明,复合材料的磨损量会随着石墨含量与载荷的增加而增加,但在相同条件下铜石墨乳化沥青复合材料的磨损量要远小于铜石墨复合材料的磨损量。其中,当石墨含量为6%时这种现象尤其明显。而且,复合材料的摩擦系数会随着石墨含量与载荷的增加而减小;当石墨含量在4%-6%之间时,铜石墨乳化沥青复合材料的摩擦磨损性能最好且明显优于铜石墨复合材料,且添加乳化沥青试样的摩擦系数随着载荷的增加摩擦系数变化稳定性好于没添加乳化沥青的试样,说明乳化沥青的加入会对铜石墨的界面结合产生积极的影响。(4)第一性原理模拟结果表明,沥青质中的吖啶(AD)分子会同时与Cu、石墨发生电荷转移,从而大大提高了Cu与石墨界面的结合性能,这很好的验证了乳化沥青的加入对铜石墨复合材料的界面具有改善作用的结论。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

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直接与接触导线接触，从接触导线上获得电流为机车提供动力[7]（如图1.1所示）。在电力机车行驶过程中，受电弓滑板与受电弓接触网线发生高速摩擦，这就要求其具有良好的摩擦磨损性能；且由于这对摩擦副所处的环境特殊，摩擦的过程当中存在明显的电气磨损，因此必须保证滑板材料优良的质量和稳定性，来确保机车的动力供应，行车安全以及运行速度。图 1.1 受电弓滑板示意图及其应用Fig 1.1 Schematic diagram of pantograph slider and its application1.2.1 受电弓滑板的使用特点及性能要求受电弓滑板材料在使用过程当中，滑板与导线构成的特殊受流摩擦副，其工作状况有以下几个显著地特点：（1）弓网间相对滑动速度较高，速度可达30m/s，属于高速摩擦磨损领域，若滑板材料强度不足，易损坏，会给安全带来很大威胁；（2）弓网在接触时会有接触压力

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在沥青中添加合适的乳化剂，经过机械作用，使沥青以微小颗粒形态稳定存在于水溶液中，形成更方便使用的水包油状乳液乳化沥青[50]更便于施工。其制备工艺流程如图 1-3 所示[51]。沥青和水在沥青乳化剂的作用下进行乳化的。乳化剂是具有亲水基和疏水基的两亲分子[52]。在乳化过程中，乳化剂水溶液中乳化剂分子的疏水基碳氧链向沥青微粒靠拢，并插入沥青微粒中，而亲水基则与水分子接触。这样使得每个沥青微粒表层都吸附了众多的乳化剂分子，将沥青颗粒包裹住，形成一层界面膜[53]。沥青乳化剂分子的亲水基能够以氢键的方式与水分子结合在一起,这样在界面膜的外层又形成了一层水合层。当乳化剂为离子型乳化剂时，乳化剂分子在水中电离后使界面膜带有了相应的电荷，形成了界面电荷层[54]。乳化沥青呈茶褐色，常温下具有高度流动性。一般根据乳化剂的类型可分为四大类：阴离子型乳化沥青、阳离子型乳化沥青、非离子型乳化沥青和两性型乳化沥青[55]。

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图 2.2 试样的烧结曲线Fig 2.2 The sintering curve of the specimen一个把压制成型的材料转变成块体材料的过程，成型的样理性能和机械性能都有了极大地提升，因此，烧结的过程一般来说，烧结温度为 0.6-0.8Tm左右[85]（Tm为样品主要组实验中，铜的熔点为 1084℃；由于乳化沥青在烧结过程中、小分子挥发、芳构化和缩聚等复杂的化学变化，导致坯产生密度、强度、硬度等物理性能的变化；主要具体过程如当温度上升至 200℃以上时，坯体中的水份、低分子量有机，在这个温度范围内，非芳香族物质会变成气态或液态脱聚成分子量较大的苯不溶物；当温度超过 400℃时，一方面有机物的分解程度会加剧，主分解产生氢、甲烷、一氧化碳和二氧化碳等低分子化合物

【参考文献】