层状石墨—铜复合材料的制备及摩擦学行为研究

论文摘要

石墨-铜复合材料以其优良的摩擦学特性,以及导电、导热、抗氧化、耐腐蚀等性能得到广泛应用。但铜和石墨性质差别巨大,在1100℃时润湿角仍高达140°,通常情况下不发生化学反应、又互不相溶,采用机械混合、粉末冶金使铜与石墨结合后,材料内部孔隙较多,严重影响了材料强度和摩擦磨损等性能。高性能石墨-铜复合材料研究与开发,是解决特殊工况条件下电接触材料摩擦磨损问题的关键,本文采用电镀法制备层状石墨-铜复合材料,并研究其在不同工况条件下的摩擦磨损行为及机理,探索复合材料减摩耐磨的规律,为研发新型石墨-铜复合材料提供理论依据和技术支持,具有十分重要意义。电镀前,首先对石墨进行真空脱硫及扩孔处理。扩孔直径0.3mm,孔距5mm。电镀法采用恒流电镀,电流大小10A,电流密度7A/dmm2,采用酸性溶液电镀,其中硫酸（H2SO4）含量35g/L,硫酸铜（CuS04’5H20）的浓度为100g/L。电镀后采用真空烘烤和还原处理。脱氧完成后,炉冷至室温,人工裁剪和叠层成毛坯。毛坯经热等静压（HIP）: 800℃×70 MPa×3 h烧结成型,得到层状石墨-铜复合材料。光学显微分析显示：复合材料组织均匀致密,铜与石墨间的界面良好,无开裂现象,铜以三维网状形态分布。采用定量分析法,测定出复合材料中铜的体积分数。随着铜含量的升高,复合材料密度、冲击韧性、抗弯强度、布氏硬度升高。当铜体积分数达52%时,复合材料密度达5.159g/cm3；冲击韧性11.5J/cm2；抗弯强度53.72MPa；布氏硬度14.31HB。开展了不同工况条件下复合材料的环块式磨损试验研究,通过微观分析手段对磨痕表面形貌,以及磨损颗粒形貌进行分析研究,初步探讨了复合材料摩擦磨损性能及机理。结果表明,摩擦取向与纹理垂直时复合材料的综合磨损性能最佳,复合材料的磨损率随铜体积含量、载荷、滑动速度的增加而增加,摩擦系数随着石墨含量、载荷、滑动速度的增加而减小。各种工况下,复合材料的磨损形式主要是磨粒磨损,随着载荷、铜含量、滑动速度的增加,粘着磨损及氧化磨损逐渐增强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨-铜复合材料
• 1.2.1 铜及铜基合金的特性
• 1.2.2 石墨的特性
• 1.3 石墨-铜复合材料的性能及用途
• 1.3.1 电触头方面的应用
• 1.3.2 电刷方面的应用
• 1.3.3 滑板方面的应用
• 1.4 石墨-铜复合材料的制备方法及研究现状
• 1.4.1 石墨-铜复合材料的制备方法
• 1.4.2 石墨-铜复合材料的研究现状
• 1.5 石墨-铜复合材料的摩擦学行为研究
• 1.5.1 石墨-铜复合材料的磨损机理
• 1.5.2 石墨-铜复合材料磨损性能的影响因素
• 1.6 本研究工作及意义
• 第2章 实验原理及材料制备
• 2.1 复合原理
• 2.2 实验方案的设计
• 2.2.1 层间结合力问题的解决
• 2.2.2 电镀工艺的确定
• 2.2.3 热等静压烧结工艺
• 2.3 材料制备
• 2.3.1 原料
• 2.3.2 实验制备过程
• 2.4 材料的性能测试方法
• 2.4.1 物相分析
• 2.4.2 显微组织分析
• 2.4.3 体积密度和相对密度的测定
• 2.4.4 定量体积分数测定
• 2.4.5 冲击韧性
• 2.4.6 三点弯曲强度
• 2.4.7 硬度
• 2.4.8 摩擦磨损性能
• 2.4.9 磨损样品微观形貌分析
• 第3章 材料的性能分析
• 3.1 相组成分析
• 3.2 显微组织分析
• 3.3 铜体积分数
• 3.4 体积密度
• 3.5 冲击韧性
• 3.6 抗弯强度
• 3.7 硬度
• 3.8 小结
• 第4章 层状石墨-铜复合材料的摩擦学行为研究
• 4.1 磨损方向对层状石墨-铜复合材料磨损性能的影响
• 4.2 石墨含量对层状石墨-铜复合材料磨损性能的影响
• 4.2.1 不同石墨含量复合材料的摩擦系数与摩擦取向的关系
• 4.2.2 不同石墨含量复合材料的磨损量与摩擦取向的关系
• 4.2.3 石墨含量对磨损面形貌的影响及磨损机理分析
• 4.3 载荷对层状石墨-铜复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.4 速度对层状石墨-铜复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.5 其他因素对层状石墨-铜复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.5.1 不同对磨环对复合材料摩擦磨损性能的影响
• 4.5.2 长时间连续磨损对复合材料磨损性能的影响
• 4.5.3 铜层厚度对摩擦磨损性能的影响
• 4.6 层状石墨-铜复合材料的摩擦磨损机制
• 4.6.1 摩擦力的组成
• 4.6.2 层状石墨-铜复合材料的摩擦磨损机理
• 4.7 摩擦磨损过程模型
• 4.8 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果