炭纤维整体织物/炭-铜复合材料及其摩擦学特性的研究

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-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。