銅-石墨復合材料的制備及其摩擦學性能研究

劉　穎，孫初鋒

（西北民族大學化工學院，蘭州　730124）

銅-石墨復合材料的制備及其摩擦學性能研究

劉穎，孫初鋒

（西北民族大學化工學院，蘭州730124）

【摘要】銅-石墨復合材料有良好的導電導熱性、耐磨減磨性、耐燒蝕性等優(yōu)點，其在電接觸材料、摩擦減磨等領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力已引起了廣泛的關(guān)注。因此，本文就現(xiàn)階段銅-石墨復合材料的制備及其摩擦學性能進行了簡略的評述，并對今后的研究方向進行了討論。

【關(guān)鍵詞】銅-石墨復合材料；制備；摩擦學性能

1　引言

載流摩擦副是指具有通過電流功能的摩擦副。載流摩擦副的正常失效以擦傷為主，同時還有磨粒磨損、腐蝕磨損及氧化磨損；非正常失效包括電燒蝕、沖擊斷裂、膠合等。隨著對載流摩擦副使用條件的日益苛刻，傳統(tǒng)材料已無法滿足現(xiàn)在的要求，需要對材料進一步的改進[1]。

集良好的接觸潤滑性、高導電導熱率、低的熱膨脹系數(shù)、耐熔焊、耐磨和耐電弧燒蝕等特性于一身的銅-石墨復合材料，已被廣泛的用于電接觸材料、機械零件材料和摩擦減摩材料等領(lǐng)域中。然而銅和石墨即使在1000℃時潤濕角也高達140°，所以只能機械互鎖的銅/石墨界面的結(jié)合強度較低，成為了限制銅-石墨復合材料應(yīng)用的瓶頸問題[2]。因此本文就近年來銅-石墨復合材料的制備方式和摩擦性能進行了較淺的研究。

2　銅-石墨復合材料的制備

銅-石墨材料的摩擦學性能，取決于銅基體的性能、石墨與銅的結(jié)合強度及石墨在磨損界面形成潤滑膜的情況，因此復合材料組分的選擇、實驗條件的控制對復合材料的性能至關(guān)重要。

2.1機械合金化的銅-石墨復合材料

冉旭等[3]采用機械合金化后冷壓成型和500℃放電等離子燒結(jié)（SPS）兩種工藝分別制備了銅-石墨復合材料。XPS分析結(jié)果表明，相比于單一銅基，石墨的加入減少了材料對偶件的磨損和摩面間顆粒在磨損過程中的氧化。并且，石墨的含量能夠顯著的影響復合材料的摩擦磨損行為，原子分數(shù)為10％～31％的復合材料的摩擦系數(shù)和磨損率均隨石墨含量的增加而明顯下降，磨損也由無石墨時的粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠趧儗幽p。此外，放電等離子燒結(jié)工藝制備的復合材料較加壓成型工藝制備的復合材料有更好的耐磨減磨性能。摩擦系數(shù)和磨損率均隨SPS溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢，且犁溝的深度和寬度顯著減少。

徐曉峰等[4]用電解銅粉和石墨粉經(jīng)混合制備了Cu/5％石墨、Cu/10％石墨、Cu/15％石墨的銅-石墨復合材料。實驗研究表明，石墨含量對摩擦因數(shù)和磨損率、載流磨損機制、載流效率和載流穩(wěn)定性均有一定的影響作用。其中，隨著摩擦速度的增加，每種復合材料的摩擦因數(shù)均呈增加的趨勢，Cu/5％石墨復合材料的磨損率增加，其余兩種材料的磨損率呈下降的趨勢。此外，Cu/10％石墨復合材料的載流摩擦磨損性能良好，機理研究表明，該復合材料在載流摩擦過程中憑借自身形成的石墨膜和氧化膜較好的避免了由于銅的親和力造成的粘著磨損，最終使材料保持了良好的潤滑性能。

2.2鍍銅石墨/銅復合材料

研究表明，通過在石墨表面鍍銅，可以增強銅基體與石墨的界面結(jié)合力。李雪飛等[5]將經(jīng)過表面處理后的石墨進行化學鍍銅，然后將鍍銅石墨與不鍍銅石墨分別與電解銅粉進行混合，最終得到兩種石墨/銅復合材料。實驗結(jié)果表明，兩種復合材料的摩擦因數(shù)均隨石墨含量的增加而減小，隨滑動速度的增大而增大。鍍銅石墨/銅復合材料在載流摩擦條件下的摩擦因數(shù)隨著石墨含量的增加而顯著降低，在石墨質(zhì)量分數(shù)為10％時的復合材料的磨損率為最低。SEM結(jié)果表明，在載流摩擦過程中，鍍銅石墨/銅復合材料隨著摩擦條件的不同而存在著粘著磨損、磨粒磨損和電弧燒蝕磨損機制。

2.3二硫化鉬-銅-鍍銅石墨復合材料

MoS2是一種在高溫干燥條件下仍具有良好自潤滑性的固體潤滑材料，朱城楠等[6]利用二硫化鉬和石墨這兩種固體潤滑劑的協(xié)同互補作用完成了對銅-石墨復合材料的磨損性能的改善。他們通過用適量的二硫化鉬取代部分石墨，采用傳統(tǒng)的粉末冶金法制備了不同二硫化鉬質(zhì)量分數(shù)的二硫化鉬-銅-鍍銅石墨復合材料和二硫化鉬-銅-石墨復合材料。結(jié)果顯示，二硫化鉬-銅-鍍銅石墨復合材料比二硫化鉬-銅-石墨復合材料的耐磨性好、磨損量小，隨著二硫化鉬質(zhì)量分數(shù)的增加，兩種復合材料的磨損率都呈現(xiàn)出了先減小后增加的趨勢，當二硫化鉬的質(zhì)量分數(shù)為2％時，復合材料的耐磨性最好、磨損率最小。SEM表征結(jié)果顯示，不加二硫化鉬的復合材料的磨面粗糙、犁溝多且深，存在著局部石墨團簇現(xiàn)象；而用相同質(zhì)量的二硫化鉬取代石墨后的復合材料，其磨面變得光滑、犁溝變淺。機理研究表明，不含二硫化鉬的復合材料在磨損過程中，其局部存在的石墨團聚區(qū)易大塊脫落，從而形成局域空洞，使周邊金屬基體發(fā)生顆粒剝落，從而產(chǎn)生了梨削磨損；用二硫化鉬取代石墨后，銅基體在復合材料中的體積增加、基體結(jié)合面積增大，從而石墨局部團聚減少，就不易再發(fā)生大塊石墨脫落。

3　展望

根據(jù)銅-石墨復合材料的最近進展，未來在將其它性能優(yōu)異的固體潤滑劑引入銅-石墨復合材料的同時，也應(yīng)發(fā)展一些新型金屬基的石墨復合材料。

【參考文獻】

[1] 李鵬,張永振,孫樂民.受電摩擦磨損的研究現(xiàn)狀[J].洛陽工學院院報,2002,4,34-37.

[2] 蔣文忠.石墨粉末鍍銅工藝及性能的研究[J].炭素技術(shù),2002,5,23-25.

[3] 冉旭,黃顯峰,段利利.銅-石墨復合材料的摩擦學性能和磨損機理[J].材料導報,2012,4,33-38.

[4] 徐曉峰,楊曉倩,楊正海.石墨含量對銅/石墨材料高速載流摩擦性能的影響[J].河南科技大學學報,2013,10,1-4.

[5] 李雪飛,上官寶,張永振.石墨/銅復合材料的載流摩擦磨損性能[J].機械工程材料,2013,4,54-57.

[6] 朱城楠,許少凡,許少平.二硫化鉬-銅-鍍銅石墨復合材料的載流磨損性能研究[J].金屬功能材料,2013,8,15-20.