炭纤维整体织物/炭—铜复合材料及其摩擦学特性的研究

论文摘要

炭/铜复合材料因其优异的导电、减磨耐磨性能而成为现代滑动导电材料的首选,作为受电弓滑板材料和电刷材料有着广泛的应用前景。但由于炭与铜两相界面润湿性差,因而炭/铜复合材料主要采用粉末冶金法制备。就目前常见的粉末冶金炭/铜制品而言,存在着界面结合不良、力学性能差的问题。为了克服现有炭/铜复合材料使用性能方面的不足,本文采用无压熔渗方法制备一种具有“双连通”结构的炭纤维整体织物增强/炭一铜复合材料（C/C-Cu）,并对熔渗行为的热力学和动力学、复合材料的组织结构、物理力学性能和摩擦磨损性能进行了研究.建立热力学模型计算了不同合金元素对Cu/C两相润湿性和界面张力的影响,发现添加Ti元素有助于降低Cu合金的界面张力,进而实现自发熔渗。采用Washburn模型对就自发熔渗法制备C/C-Cu复合材料工艺过程的影响因素进行了动力学分析。根据理论分析,提高合金中Ti含量,增加C坯体的孔径,选择适中的熔渗温度和保温时间有助于得到理想的熔渗效果。采用无压熔渗技术成功制备得到C、Cu两相形成网络状分布“双联通”结构的C/C-Cu复合材料。当渗剂中Ti含量为10wt%时,C/C-Cu复合材料仅由C、Cu和TiC相组成。C/C-Cu复合材料的抗弯强度在180～310MPa之间,冲击韧性在2.7～5.4J.cm-2之间,电阻率在0.16～4.2μΩ·m之间。随着C含量的升高,复合材料的热导率和热膨胀系数降低；C/C-Cu热膨胀系数值远低于其它传统C/Cu复合材料及通过复合法则得到的数值。在销-盘、环-块、往复运动三种试验模式下测试了C/C-Cu复合材料的摩擦磨损性能。实验表明往复运动模式下C/C-Cu复合材料的摩擦磨损性能最佳,试样表面形成了完整光滑的磨屑层,摩擦系数和磨损量均维持在较低水平。在环-块模式下,随着C/C-Cu材料中C含量的增加,摩擦系数降低,试样本身和对偶的磨损量均降低；基体炭为树脂炭的C/C-Cu材料摩擦系数高,自身体积磨损率和对偶件质量磨损量均高于热解炭试样；摩擦面平行于纤维取向的试样摩擦系数低于垂直纤维取向的试样,但磨损率较高；随着渗剂中Ti含量的增加,C/C-Cu的耐磨性和对对偶的损伤程度增加；三维编织炭纤维坯体所制备的C/C-Cu材料使对偶表面在短时间内形成了大量犁沟,对对偶表面造成了严重的损伤。销-盘模式下,复合材料的摩擦系数随着电流强度的增大而降低,质量磨损率随着电流增大而升高；复合材料的摩擦系数和质量磨损率均随着转速的增大而降低；接触表面的化学反应使得正极的磨损大于负极；显微分析发现正极的氧含量高于负极的氧含量,正极生成的磨屑主要以片状剥落层的形式存在,而负极的磨屑细小松散,呈等轴状。制备了含铜37%的C/C-Cu电刷,其洛氏硬度、密度和磨损量均低于J102电刷；相对于J102, C/C-Cu电刷工作面上Fe转移物较少,表明C/C-Cu电刷对集电环损伤更小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 炭/炭复合材料
• 1.1.1 C/C复合材料的特点
• 1.1.2 C/C复合材料的制备
• 1.1.3 C/C复合材料的应用
• 1.2 炭/铜复合材料
• 1.2.1 C/Cu复合材料的研究历程
• 1.2.2 C/Cu复合材料的应用背景
• 1.2.3 炭/铜复合材料的制备技术
• 1.2.4 改善C/Cu界面结合的方法
• 1.2.5 炭/铜复合材料的性能
• 1.3 本论文的选题背景、目的与意义
• 1.4 本论文研究思路和研究内容
• 第二章 实验和检测方法
• 2.1 材料制备工艺
• 2.1.1 炭纤维预制体制备工艺
• 2.1.2 C/C复合坯体制备工艺
• 2.1.3 熔渗工艺
• 2.2 样品表征
• 2.2.1 X射线衍射分析
• 2.2.2 金相观察
• 2.2.3 三维视频显微镜
• 2.2.4 扫描电镜和能谱分析
• 2.2.5 透射电子显微分析
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 密度和开孔孔隙率的测定
• 2.3.2 弯曲强度的测定
• 2.3.3 抗冲击强度的测定
• 2.3.4 导电性能的测定
• 2.3.5 热物理性能测试
• 2.3.6 硬度测试
• 2.3.7 摩擦磨损实验
• 第三章 自发熔渗的热力学依据
• 3.1 自发熔渗理论计算/分析
• 3.1.1 自发熔渗原理
• 3.1.2 界面张力计算
• 3.1.3 原子分数计算
• 3.1.4 理论计算结果
• 3.2 熔渗实验结果
• 3.2.1 熔渗实验过程
• 3.2.2 熔渗结果
• 3.3 理论预测与实验结果对比
• 3.4 本章小结
• 第四章 自发熔渗的动力学原理
• 4.1 Cu合金渗入多孔体的物理模型
• 4.1.1 Washburn模型
• 4.1.2 Cu合金的高温粘度
• 4.1.3 界面层厚度估算
• 4.1.4 Washburn模型简化
• 4.2 熔渗的影响因素
• 4.2.1 保温时间对熔渗行为的影响
• 4.2.2 Ti含量对熔渗行为的影响
• 4.2.3 熔渗温度对熔渗行为的影响
• 4.2.4 孔隙直径对熔渗行为的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 C/C-Cu复合材料的组织结构
• 5.1 C/C-Cu复合材料的典型组织结构
• 5.2 工艺参数对组织结构的影响
• 5.2.1 Ti含量对组织结构的影响
• 5.2.2 熔渗温度和保温时间对组织结构的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 C/C-Cu复合材料的物理力学性能
• 6.1 硬度
• 6.2 抗弯强度与冲击韧性
• 6.3 导电性能
• 6.4 与C/Cu复合材料的性能对比
• 6.5 本章小结
• 第七章 C/C-Cu复合材料的热物理性能
• 7.1 导热性能
• 7.2 热膨胀性能
• 7.3 热循环条件下的尺寸稳定性
• 7.4 热应力分析
• 7.4.1 有限元模型和材料性能参数
• 7.4.2 模拟结果与讨论
• 7.5 本章小结
• 第八章 C/C-Cu复合材料的摩擦磨损特性
• 8.1 环-块模式下的磨损行为
• 8.1.1 材料特性对摩擦磨损行为的影响
• 8.1.2 实验条件对摩擦磨损行为的影响
• 8.1.3 与其它滑动导电材料的性能对比
• 8.2 往复运动模式下的摩擦磨损行为
• 8.2.1 预制体编织方式对摩擦磨损行为的影响
• 8.2.2 载荷和速度对摩擦磨损行为的影响
• 8.2.3 与C/Cu滑板材料的性能对比
• 8.3 销盘模式下的摩擦磨损行为
• 8.3.1 实验条件对摩擦磨损行为的影响
• 8.3.2 与C/Cu滑板材料的性能对比
• 8.4 不同实验模式对摩擦磨损特性的影响
• 8.4.1 C/C-Cu复合材料的摩擦磨损特性
• 8.4.2 C/C-Cu复合材料与C/Cu复合材料的摩擦磨损特性比较
• 8.5 本章小结
• 第九章 C/C-Cu复合材料的应用研究
• 9.1 引言
• 9.2 试验条件
• 9.3 试验结果分析
• 9.3.1 电刷外观形貌
• 9.3.2 物理力学性能
• 9.3.3 耐磨性
• 9.3.4 集电环磨损
• 9.4 本章小结
• 第十章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果