CN101800089B - 一种纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料及其制备方法，主要是以廉价易得的Nb粉和Se粉为原料，将二者混合均匀后装入石英玻璃管中，在惰性气体的保护下加热、保温、冷却先得到纳米NbSe2材料，再将后者按照一定的质量百分比与铜粉混合后经冷压、烧结、再冷压而得。本发明方法工艺简单、成本低廉、安全环保，特别适合于大规模的工业生产。用本发明方法制备得到的纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料具有允许线速度大、接触电压低、摩擦系数小、磨损率低、载流能力大等众多优异性能。

Description

一种纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及润滑材料领域，具体地说，是一种纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
滑动电接触材料现已被广泛应用于电机的固定部件和旋转部件(例如换向器或集电环)，它能够使电机、仪表及电气装置上相互滑动的部件之间顺利通过电流并完成相对运动。铜-石墨-MoS2是一种典型的滑动电接触材料，它主要依靠Cu来改善材料的导电导热能力，依靠石墨和MoS2的减摩和自润滑作用来改善材料的摩擦学特性；但是铜-石墨-MoS2存在着如下问题：(1)MoS2的电阻率高，导电性能差，在滑动电接触材料中有大电流通过的情况下，会产生电火花，使温度升高，造成局部空气稀薄；而石墨虽然导电性能好，却在真空环境中受摩擦磨损严重；这些情况均会造成接触电阻不稳定，从而引起噪音。(2)石墨和MoS2较软，使得含有它们的电接触材料的承载能力、耐磨能力、抗熔焊能力均低。(3)石墨和MoS2的导电导热性能均差，在大电流或高速电机中，将使得电接触材料的接触表面温升过高，造成吸附在接触表面的水分易于挥发，破坏了表面膜的完整性，从而产生磨粒磨损。(4)市售的片层状石墨和MoS2的机械强度均低，在高速旋转时易于破损。随着各类电机仪表朝着小型化、大电流、高速度的方向发展，也要求滑动电接触材料同时具有允许线速度大、接触电压低、摩擦系数小、磨损率低、载流能力大等众多优异性能，而铜-石墨-MoS2滑动电接触材料显然难以满足上述要求。
NbSe2具有和MoS2类似的晶体结构和摩擦学特性，而电阻率仅为10-4Ωcm，比MoS2低六个数量级，比石墨低一个数量级；而NbSe2纳米纤维既有减摩耐磨的作用，又可以提高复合材料的力学性能，纳米NbSe2铜基复合材料无疑是一种十分具有应用前景的滑动电接触材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有允许线速度大、接触电压低、摩擦系数小、磨损率低、载流能力大等众多优异性能的纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料及其制备方法。
上述目的是通过如下技术手段实现的：
(1)按照1∶3的摩尔比称取Nb粉和Se粉；
(2)将Nb粉和Se粉均匀混合后装入一端封闭的石英玻璃管(Φ8mm)中，利用乙炔焰加热石英玻璃管至熔融状态，将管逐渐拉长拉细使开口端越来越小，直至开口端呈一小孔，将此小孔与真空泵相连，将石英玻璃管内抽成真空(100Pa)，充入惰性气体作为保护气体，反复2～3次，再用乙炔焰加热石英玻璃管的小孔端至熔融状态以将石英玻璃管彻底封闭；
(3)将上述封好的石英玻璃管置于一个温度梯度为1℃/cm的管式炉中，以10℃/min的升温速率将炉内温度升高至750℃、保持1h，即得到纤维状的纳米NbSe2材料；再以同样的升温速率将炉内温度升高至800℃、保持1h，即得到片状的纳米NbSe2材料；然后使石英玻璃管内温度自然冷却到室温；
(4)取步骤(3)制备得到的纳米NbSe2材料与铜粉配置成纳米NbSe2材料的质量百分比为5％～20％的混合粉末，先在150MPa下进行冷压，持续10min，再在700℃的Ar(氩气)流中烧结1h，最后在180MPa下进行二次冷压，持续10min，即制得纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料。
本发明方法的原料易得、价格低廉，制备工艺简单、参数易控，生产过程安全环保，特别适合于大规模的工业生产。用本发明方法制备得到的纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料允许线速度大、接触电压低、摩擦系数小、磨损率低、载流能力大，是一种十分具有应用前景的滑动电接触材料。
附图说明
图1为实施例2的纤维状纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料的载荷-摩擦系数关系曲线。
图2为实施例2的片层状纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料的载荷-摩擦系数关系曲线。
图3为实施例3的纤维状纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料的转速-摩擦系数关系曲线。
图4为实施例3的片层状纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料的转速-摩擦系数关系曲线。
具体实施方式
以下通过具体实施方式进一步描述本发明，由技术常识可知，本发明也可通过其它的不脱离本发明技术特征的方案来描述，因此所有在本发明范围内或等同本发明范围内的改变均被本发明包含。
实施例1：制备纳米NbSe2铜基复合材料
(1)按照1∶3的摩尔比称取Nb粉和Se粉；
(2)将Nb粉和Se粉均匀混合后装入一端封闭的石英玻璃管(Φ8mm)中，利用乙炔焰加热石英玻璃管至熔融状态，将管逐渐拉长拉细使开口端越来越小，直至开口端呈一小孔，将此小孔与真空泵相连，将石英玻璃管内抽成真空(100Pa)，充入惰性气体作为保护气体，反复2～3次，再用乙炔焰加热石英玻璃管的小孔端至熔融状态以将石英玻璃管彻底封闭；
(3)将上述封好的石英玻璃管置于一个温度梯度为1℃/cm的管式炉中，以10℃/min的升温速率将炉内温度升高至750℃、保持1h，即得到纤维状的纳米NbSe2材料；再以同样的升温速率将炉内温度升高至800℃、保持1h，即得到片状的纳米NbSe2材料；然后使石英玻璃管内温度自然冷却到室温；
(4)取纤维状和片状的NbSe2纳米材料分别与铜粉配置成NbSe2纳米材料的质量百分比分别为5％、10％、15％、20％的八种混合粉末，每种混合粉末混合均匀后先在150MPa下进行冷压，持续10min，再在700℃的Ar(氩气)流中烧结1h、最后在180MPa下进行二次冷压，持续10min，压片后得到四种NbSe2纳米材料的质量百分比分别为5％、10％、15％、20％的纤维状纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料和四种NbSe2纳米材料的质量百分比分别为5％、10％、15％、20％的片状纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料，均压制成尺寸规格为φ13mm×4mm的圆柱体。
实施例2：测试纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料的摩擦性能
测试条件：大气环境，室温；
测试仪器：CETR UMT-2 Multi-Specimen Test System摩擦试验机；
载荷：50g～250g；
转速：120r/min；
测试方法：将实施例1的八种纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料及相同形状不含纳米NbSe2材料的铜块分别进行抛光处理，然后分别在45钢盘上与直径4mm的440C小球进行回转摩擦。
测试结果：如图1和图2所示，铜中添加纳米NbSe2材料后摩擦系数显著降低(由原来的0.21左右到0.12左右)并且比较稳定，摩擦系数基本不随载荷的变化而发生变化；另一方面，纤维状纳米NbSe2材料表现出比片层状纳米NbSe2材料更好的减摩效果，当纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料中纤维状纳米NbSe2材料的质量百分比为15％时表现出的减摩效果最佳。
测试结论：按照实施例1方法制备得到的纳米NbSe2固体自润滑纳米材料具有明显的减摩耐磨和润滑作用，能适应特殊工况要求。
实施例3：摩擦磨损实验
测试条件：大气环境，室温；
测试仪器：UTM-2多功能摩擦试验机(往复模式)；
摩擦副接触形式：球-盘式；
实验钢球：直径为4mm、硬度为HRC 62的不锈钢球；
圆盘往复行程：5mm；
转速：100-300r/min；
载荷：300g；
测试方法：将实施例1的八种纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料及相同形状不含纳米NbSe2材料的铜块，分别进行抛光处理，然后分别在45钢盘上与实验钢球进行回转摩擦。
测试结论：如图3和图4所示，当铜基复合材料中纳米NbSe2材料的质量百分比为5％时，即可使复合材料在较高的载荷下保持较低的摩擦系数，增强了材料的润滑性；加入纳米NbSe2材料后铜基复合材料的摩擦系数较为稳定，随载荷的变换上升十分缓慢，即承载能力明显增强；当铜基复合材料中纳米NbSe2材料的质量百分比在5％～15％时，即可将上述作用充分发挥出来。

Claims (2)

1.一种纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)按照1∶3的摩尔比称取Nb粉和Se粉；
(2)将Nb粉和Se粉均匀混合后装入一端封闭的石英玻璃管(φ8mm)中，利用乙炔焰加热石英玻璃管至熔融状态，将管逐渐拉长拉细使开口端越来越小，直至开口端呈一小孔，将此小孔与真空泵相连，将石英玻璃管内抽成真空(100Pa)，充入惰性气体作为保护气体，反复2～3次，再用乙炔焰加热石英玻璃管的小孔端至熔融状态以将石英玻璃管彻底封闭；
(3)将上述封好的石英玻璃管置于一个温度梯度为1℃/cm的管式炉中，以10℃/min的升温速率将炉内温度升高至750℃、保持1h，即得到纤维状纳米NbSe2材料；再以同样的升温速率将炉内温度升高至800℃、保持1h，即得到片状的纳米NbSe2材料；然后使石英玻璃管内温度自然冷却到室温；
(4)取步骤(3)制备得到的纳米NbSe2材料与铜粉配置成纳米NbSe2材料的质量百分比为5％～20％的混合粉末，先在150MPa下进行冷压，持续10min，再在700℃的Ar(氩气)流中烧结1h，最后在180MPa下进行二次冷压，持续10min，即制得纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料。
2.根据权利要求1的方法制备得到的纳米NbSe2铜基固体自润滑复合材料。
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