铜基自润滑复合材料的电磨损及电弧烧蚀性能研究

发布时间：2017-04-28 22:08

  本文关键词：铜基自润滑复合材料的电磨损及电弧烧蚀性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：滑动电接触材料的功能是在设备的固定部件和运动部件之间传导电流,其在运行过程中受到机械载荷和电载荷的共同作用。理想的滑动电接触材料即要具备良好的减摩耐磨性能,又要具备优异的电接触性能。铜-石墨复合材料因其优异的机械强度、良好的导电导热性能以及自润滑特性,常被用来制备电刷、受电弓滑板等滑动电接触元件。然而随着各类电机的高速高载化以及航空航天工业的快速发展,传统铜-石墨复合材料已经越来越无法满足要求。采用粉末冶金热压方法制备了石墨含量分别为30wt%、25wt%、20wt%和15wt%,二硫化钨含量分别为0wt%、5wt%、10wt%和15wt%的四种铜基自润滑复合材料,在通电条件下研究了成分对铜-石墨-二硫化钨复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：铜-石墨-二硫化钨双润滑剂复合材料在800℃烧结时可以在保证其润滑性能的同时获得较高的机械强度。随着二硫化钨和石墨质量比的增加,复合材料的接触电压降随之增加,而铜-20wt%石墨-10wt%二硫化钨复合材料在电磨损过程中展现出最佳的磨损抗力,这主要是由于石墨和二硫化钨之间优异的协同润滑作用。研究表明在铜-石墨复合材料中添加适量的二硫化钨可以在电能损耗增加不多的同时显著提高其磨损抗力。研究了空气和真空环境下电流对铜-石墨-二硫化钨复合材料摩擦学行为的影响,并分析了二硫化钨纳米管在电滑动磨损过程中的作用。结果表明：无论在空气还是真空中,复合材料带电条件下的摩擦系数和磨损率都要比纯机械磨损时大,这是因为电流破坏了表面润滑膜的连续性,加剧了摩擦表面间的粘着。空气中,由于铜的氧化物、二硫化钨和石墨的协同润滑作用,复合材料表现出相对较低的摩擦系数和磨损率；而真空中只有二硫化钨提供润滑,摩擦接触界面发生严重的粘着磨损和磨粒磨损,导致复合材料的摩擦系数和磨损率较高。真空中接触界面高温及表面润滑膜中含量较高的铜使得实际载流面积大大增加,因此复合材料的接触电压降较低。使用少量二硫化钨纳米管替代复合材料中的部分二硫化钨粉末可以提高复合材料的磨损抗力并降低接触电压降。研究了电流极性、电流密度以及滑动速度对铜基自润滑复合材料滑动电磨损性能的影响。结果表明：空气环境中,离子的定向运动促进了正刷表面的氧化过程但抑制了负刷表面的氧化过程,导致正刷的磨损率高于负刷；而真空环境中,除了常规的磨损外,金属液桥侵蚀和电弧侵蚀造成正刷损失额外的材料,而负刷获得额外的材料,所以正刷的磨损情况较负刷严重。空气环境中正刷的接触电压降低于负刷,而真空环境中却相反,正刷的接触电压降更高。由于电流热效应破坏了表面润滑膜的连续性以及引起局部接触区域材料软化甚至熔化,复合材料的接触电阻随着电流密度的增大而降低,而磨损率随着电流密度的增大而增大。因为摩擦表面间粘附气体分子膜的作用,当滑动速度由5m/s增大到15m/s时,复合材料的接触电阻逐渐增大,而磨损率在10m/s时达到最小值。研究了铜-30vol%石墨、铜-30vol%二硫化钨和铜-30vol%二硫化钼三种单润滑剂铜基自润滑复合材料的抗电弧烧蚀性能。结果表明：石墨熔点较高,在电弧放电瞬间主要以氧化的形式损耗,而二硫化钨和二硫化钼则会在电弧放电造成的高温下发生熔化并与铜基体发生化学反应,所以铜-30vol%石墨复合材料的抗电弧烧蚀性能要优于铜-30vol%二硫化钨和铜-30vol%二硫化钼复合材料。铜基自润滑复合材料的电弧烧损机制主要有材料的氧化、熔化飞溅、内部化学反应以及疲劳脱落。
【关键词】：铜基自润滑复合材料 电摩擦磨损 二硫化钨纳米管 环境 电流极性 电流密度 滑动速度 电弧烧蚀
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33
【目录】：

• 致谢9-10
• 摘要10-12
• ABSTRACT12-22
• 第一章 绪论22-36
• 1.1 复合材料22-23
• 1.1.1 复合材料的定义和分类22
• 1.1.2 复合材料的特点22-23
• 1.2 金属基复合材料23-24
• 1.2.1 金属基复合材料的定义和分类23
• 1.2.2 金属基复合材料的基本性能23-24
• 1.3 固体润滑24-26
• 1.3.1 固体润滑机理24-25
• 1.3.2 固体润滑剂的基本性能要求25-26
• 1.4 常用固体润滑剂26-29
• 1.5 固体自润滑复合材料29-31
• 1.5.1 聚合物基自润滑复合材料29
• 1.5.2 陶瓷基自润滑复合材料29-30
• 1.5.3 金属基自润滑复合材料30-31
• 1.6 电接触和电接触材料31-34
• 1.6.1 电接触31-32
• 1.6.2 电接触材料的基本特性要求32-33
• 1.6.3 滑动电接触材料33-34
• 1.7 课题研究的背景及主要内容34-36
• 第二章 铜基自润滑复合材料的制备和性能表征36-46
• 2.1 铜基自润滑复合材料的制备36-37
• 2.1.1 实验原材料36
• 2.1.2 铜基自润滑复合材料的制备过程36-37
• 2.2 铜基自润滑复合材料的性能表征方法37-40
• 2.2.1 致密度37-38
• 2.2.2 布氏硬度38
• 2.2.3 电阻率38-39
• 2.2.4 X射线衍射39
• 2.2.5 扫描电子显微镜39
• 2.2.6 X射线光电子能谱仪39-40
• 2.2.7 磨损表面粗糙度40
• 2.3 电磨损性能测试原理和实验装置40-45
• 2.3.1 电磨损实验装置40-42
• 2.3.2 电磨损实验准备42-43
• 2.3.3 电刷动态性能测试原理43-44
• 2.3.4 电磨损实验条件44-45
• 2.4 主要实验仪器45-46
• 第三章 成分对铜基自润滑复合材料电磨损性能的影响46-76
• 3.1 铜基自润滑复合材料的基本特性47-50
• 3.1.1 铜基自润滑复合材料的制备47
• 3.1.2 铜基自润滑复合材料的显微组织分析47-50
• 3.1.3 铜基自润滑复合材料的物理机械性能50
• 3.2 铜基自润滑复合材料的接触电压降50-57
• 3.2.1 接触电阻50-54
• 3.2.2 成分对铜基自润滑复合材料接触电压降的影响54-57
• 3.3 铜基自润滑复合材料的摩擦系数57-67
• 3.3.1 金属基自润滑复合材料的润滑减摩机理57-60
• 3.3.2 成分对铜基自润滑复合材料摩擦系数的影响60-67
• 3.4 铜基自润滑复合材料的磨损67-73
• 3.4.1 铜基自润滑复合材料的电磨损机理67-70
• 3.4.2 成分对铜基自润滑复合材料磨损率的影响70-73
• 3.5 本章小结73-76
• 第四章 环境对铜基自润滑复合材料电磨损性能的影响76-94
• 4.1 Cu-G-WS_2和Cu-G-WS_2-WS_2纳米管复合材料的基本特性77-78
• 4.2 铜基自润滑复合材料表面润滑膜的组成和形成机理分析78-87
• 4.3 铜基自润滑复合材料在不同环境下的接触电压降87-88
• 4.4 铜基自润滑复合材料在不同环境下的摩擦系数88-90
• 4.5 铜基自润滑复合材料在不同环境下的磨损率90-92
• 4.6 WS_2纳米管在电滑动磨损过程中的作用92
• 4.7 本章小结92-94
• 第五章 电流极性对铜基自润滑复合材料电磨损性能的影响94-106
• 5.1 电流极性对空气环境下铜基自润滑复合材料电磨损性能的影响95-98
• 5.2 电流极性对真空环境下铜基自润滑复合材料电磨损性能的影响98-103
• 5.3 环境变化对正负电刷接触电压降间极性效应的影响103
• 5.4 本章小结103-106
• 第六章 电流密度、滑动速度对铜基自润滑复合材料电磨损性能的影响106-116
• 6.1 电流密度对铜基自润滑复合材料电磨损性能的影响106-111
• 6.2 滑动速度对铜基自润滑复合材料电磨损性能的影响111-115
• 6.3 本章小结115-116
• 第七章 铜基自润滑复合材料的电弧烧蚀性能研究116-126
• 7.1 电弧烧蚀实验116-117
• 7.2 单润滑剂铜基自润滑复合材料的基本特性117-119
• 7.3 电流波形图和耐电压强度119-121
• 7.4 烧蚀机理分析121-125
• 7.5 本章小结125-126
• 第八章 全文总结126-130
• 参考文献130-142
• 攻读博士学位期间的学术活动及成果情况142-144

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本文编号：333655