CN114086025B

CN114086025B - 导电滑环的复合材料及其试件制备方法

Info

Publication number: CN114086025B
Application number: CN202111398234.2A
Authority: CN
Inventors: 左雪; 谢文新; 周元凯; 苏宇
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2041-11-19
Also published as: CN114086025A

Abstract

本发明公开了一种导电滑环的复合材料及其试件制备方法，其特征在于，以质量分数计包括二硫化钼5‑20％，碳纳米管0‑1％，铜粉余量。按所需配比的Cu、MoS₂、CNTs称量，干燥后进行混料球磨；将充分混粉后的粉末通过压片机静压成销试样；销试样在真空下进行烧结，保温后进行退火即可得试件。本发明可以提高铜基复合材料的摩擦磨损性能和导电性能，制作成本低，使用寿命长，无毒环保，材料较为简单，利于大批量生产。

Description

导电滑环的复合材料及其试件制备方法

技术领域

本发明涉及电导材料及制备，具体涉及一种导电滑环的复合材料及其试件制备方法。

背景技术

目前，发电机逐渐趋于大功率化、长寿命和高可靠性方向发展，对于发电机中关键元件导电滑环性能提出了更高的要求，材料必须具备良好的耐磨减摩性、自润滑性、导电导热性和耐腐蚀性等性能。铜基材料凭借其良好的导电导热性、耐腐蚀性和耐磨性，已经广泛地应用于航空航天、高铁、船舶、汽车、风力发电机等领域，但其也存在着硬度、强度、承压和耐高温能力不足等缺陷。铜/石墨复合材料，摩擦学性能与石墨含量直接相关，随着石墨含量增加润滑性能也会增加，但当石墨含量过高时，导电性能降低。在载流干摩擦过程中，会出现高摩擦磨损现象，导致电接触失效。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种导电滑环的复合材料及其试件制备方法，解决铜基材料摩擦磨损性能和导电性能不足的问题。

技术方案：本发明所述的导电滑环的复合材料，以质量分数计包括二硫化钼5-20％，碳纳米管0-1％，铜粉余量。

优选的是，铜粉的纯度大于99.9％，粒度为5-8μm；二硫化钼粉末纯度大于99％，粒度为10μm；碳纳米管的纯度大于95％，内径3-5nm，外径为8-15nm，长度为3-12μm。

本发明所述的导电滑环的复合材料的制备试件的方法，包括如下步骤：

(1)按所需配比的Cu、MoS₂、CNTs称量，干燥后进行混料球磨；

(2)将充分混粉后的粉末通过压片机静压成销试样；

(3)销试样在真空下进行烧结，保温后进行退火即可得试件。

其中，所述步骤(1)中采用立式行星式球磨机进行球磨。

使球磨混粉更加充分，所述步骤(1)中球磨时采用氧化锆磨球，球料比为5:1-10:1，球磨时长为135min，转速设置为350rpm。

所述步骤(3)中采用真空管式炉进行烧结，烧结前对管式炉抽真空，真空度抽至-0.1MPa以下。

所述步骤(3)中烧结温度采用900K、1000K、1100K、1200K中任一种。

有效提升材料固结能力，所述步骤(3)中，烧结后保温1.5小时。

保证烧结充分，保证材料性能，所述步骤(3)中退火的工艺为：降温速度为8-12℃/min，降至350℃时，继续保温1h，然后以8-12℃/min的速率下降到室温。

有益效果：本发明中二硫化钼作为固体润滑剂，碳纳米管作为纤维增强相，可以提高铜基复合材料的摩擦磨损性能和导电性能，二硫化钼化学稳定性良好，其较强的粘附能力有利于和金属结合形成稳定的润滑膜；碳纳米管具有极大的长径比和极高的弹性模量，通过球磨和静压均匀分布在金属基中，提升金属基的承载能力和导电性能。同时烧结和球磨过程为真空状态，防止铜金属氧化。球磨过程分为正转和反转两部分，可以使混粉更加充分。烧结分为高温保温和低温退火保温，高温保温1.5小时提升材料的结构强度，低温退火保温能有效消除复合材料的残余应力，且升温和降温过程的速率不宜过快，避免材料烧结不充分。本发明制作成本低，使用寿命长，无毒环保，材料较为简单，利于大批量生产。

附图说明

图1为本发明铜基复合材料的制备流程图，其中包含烧结温度变化曲线以及销的压制工艺图；

图2为载流摩擦试验装置示意图；

图3为载流摩擦试验平均摩擦系数图；

图4复合材料载流摩擦磨损实验摩擦系数图；

图5为销试样在四种工况下的表面磨损率图；

图6为四种工况下复合材料载流摩擦过程中的载流效率与稳定性变化图；

图7为电流为1A时复合材料表面接触电流随时间变化图；

图8为电流21A时复合材料表面接触电流随时间的变化图；

图9为复合材料的动态接触电阻变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

采用本发明的复合材料制备不同的试样，铜基复合材料以质量分数计包括二硫化钼5-20％，碳纳米管0-1％，铜粉余量。具体实施例A1-A4、B1-B4、C1-C4、D1-D4的碳纳米管、二硫化钼质量分数以及烧结温度如表1所示。

表1

其中，铜粉的纯度大于99.9％，粒度为5-8μm；二硫化钼粉末纯度大于99％，粒度为10μm；碳纳米管的纯度大于95％，内径3-5nm，外径为8-15nm，长度为3-12μm。

制备各个实施例的试件的步骤包括：

混粉：按表中所需的Cu、MoS₂、CNTs配比称量，干燥处理后使用立式行星式球磨机YXQM进行混粉，将称量了的粉末装入球磨机的球磨罐中，并加入氧化锆磨球，球料比为5:1，球磨时长为135min，转速设置为350rpm。

静压：将充分混粉后的粉末加到直径为6mm，高20mm的圆柱模具中，通过压片机HY-12静压成销试样的尺寸。

烧结：采用真空管式炉OTF-1200X-S对静压得到的销试样进行烧结，烧结前对管式炉抽真空。烧结温度分别为900K、1000K、1100K、1200K；保温1.5小时后进行退火，退火设置降温速度为10℃/min，降至350℃时，继续保温1h，然后以10℃/min的速率下降到室温。

16种复合材料烧结完毕后，依次用400目和1000目的砂纸抛光圆柱销的两端面，完成试样的制备。复合材料经过硬度、导电性、粗糙度测试检验，样品性能良好，综合理化指标优异，具体性能检测过程如下：载流摩擦学性能测试的工况如表2所示。

表2 载流摩擦试验工况参数

通过分析不同工况下的复合材料的摩擦系数研究摩擦学性能。由图3可见，工况1平均摩擦系数最低的3组试样分别为C1、C2和D2，系数为0.4059、0.3759和0.3716。工况2中平均摩擦系数最低的3组材料分别为B3、C2、D1，系数分别为0.3667、0.3015和0.4137；工况3中平均摩擦系数最低的3组材料分别为B1、C4、D1，系数分别为0.2786、0.2803和0.2956。工况4中平均摩擦系数最低的3组材料分别为A1、D1、D2，系数分别为0.2872、0.2509和0.2753。平均摩擦系数低说明复合材料的减摩效果好，不同工况下，16种复合材料的减摩效果不同。

选择平均摩擦系数低的3种试样，分析载流摩擦过程中摩擦系数的变化规律。由图4可见，工况1在平稳摩擦阶段摩擦系数稳定在0.34-0.36，C2、D2的摩擦系数在稳定阶段最小且趋于平稳，具有较好的摩擦学性能。工况2时摩擦系数不断上升，D1摩擦系数相较B3、C2波动且标准差高，因此该工况下B3、C2减摩效果最好。工况3时，B1在700s后摩擦系数逐渐增大到0.6，发生剧烈磨损并即将磨损失效，C4、D1在此工况下有着良好的减摩性能。工况4中平稳磨损阶段摩擦系数稳定在0.28-0.3，初始阶段的磨合期有着显著差异，其中D1、D2的平均摩擦系数和标准差均较小，工况4中D1、D2载流摩擦性能良好。

磨损率是评测试样磨损性能重要参数，测试结果如图5所示，由图5可见，工况1中B3和B4的磨损率较低，工况1中复合材料在烧结温度为1000K时磨损性能良好。工况2中B2、C2的磨损率最低，分别为21.39和16.67mg/km，此工况下CNTs含量为0.1％的复合材料耐磨损性能好。工况3中B1、C4的磨损率最低，分别为28.96和28.92mg/km。工况3中MoS₂含量为10％的复合材料耐磨损性能好。工况4中复合材料D1、D2磨损率最低，分别为23.45和24.02mg/km，工况4中复合材料在烧结温度为1200K时磨损率低、耐磨性好。

载流性能：采用载流效率η和载流稳定性δ，研究复合材料的载流性能。

载流效率η公式为：

其中

为接触电流平均值，I₀为设定电流值，载流效率η高表明复合材料的电流传输效率高。

载流稳定性δ的定义为：

其中

为接触电流平均值，x_i为电流瞬时值，σ_A为接触电流标准差，n为采样点数。载流稳定性δ为电流的标准差，表示着δ越低，载流波动性越小，即电流传输越稳定。当载流效率η越高、载流稳定性δ越低时，即η与δ的差值越大，复合材料的载流性能越好。

载流效率和载流稳定性分析：由图6可见，工况1复合材料B1、B2、B3、B4的载流效率较高均超过90％，对应的波动值均低于3％。工况2和工况3中，16种复合材料的载流效率存在显著差异，载流效率范围为58.34％～99.3％，电流波动性范围为0.11％～42.56％，复合材料的电流波动性增加，电流传输不稳定。工况2中复合材料B2、C3、D2、D3的载流效率高，电流波动性小。工况3中复合材料C2、C4、D2、D4载流效率高且电流波动性小。工况4中16种复合材料的载流效率均在80％以上，电流波动性在10％以下。其中B1、B4、C1、D1的载流效率高，电流波动性小。

为进一步研究载流摩擦过程中的电流的动态变化特性，选取各个工况下载流效率高与载流波动小的4种实施例，研究载流摩擦过程中接触电流随时间的变化规律。图7为小电流工况(工况1、4)下接触电流变化图，图8为大电流工况(工况2、3)下接触电流变化图。

工况1中B1、B3不仅有较高的载流效率和较低的载流波动，而且载流磨合期短，能快速进入平稳磨损阶段，因此工况1中B1、B3的载流性能好。工况2中复合材料B2、C3、D2的载流效率均大于98％，相比于小电流下的复合材料载流效率高。四种材料中B2、D2的电流波动小，载流性能好。与工况2相比，工况3中电流波动迅速下降，表明接触载荷越高，表面接触越稳定。实施例D2、D4载流效率分别为99.44％、98.14％，电流波动值分别为0.22％、0.12％，工况3中D2、D4载流性能好。在工况4中，四种实施例载流效率均大于91％，但电流波动性存在显著差异。其中，B1时电流波动最小，D1载流效率最高。因此工况4中B1、D1的载流性能好。

导电性能：复合材料在载流摩擦过程中接触电阻大，复合材料的能量损耗大，导电性能差。因此，通过研究载流摩擦过程中接触电阻的动态变化规律评价16种复合材料的导电性能。电噪声为接触电阻的标准差，能反映电流在传输的可靠性与稳定性，电噪声越小，电流传输信号越稳定。平均接触电阻是动态接触电阻的平均值，能反映复合材料在整个摩擦过程中的导电性。通过比较平均接触电阻，可以得到16种复合材料中具有良好导电性能得到复合材料。

图9所示为小电流时平均接触电阻较小的3种复合材料的的动态接触电阻变化图。图中，六种复合材料接触电阻在磨合初期波动范围较大，随着摩擦过程的进行，接触电阻呈现出三种不同的状态，分别为不断增长、小范围波动和逐渐降低，对应的载流磨损状态分别为失效、稳定和优化。

Test1中复合材料D4在实验结束后处于失效状态，A4处于最优状态，如图9(a)所示。A4接触电阻的变化范围为0.03Ω-0.3Ω，前400s波动较大，而后快速降低并趋于平稳，A4导电性能较好。接触电阻降低，表面温升速度降低，表面接触稳定，从而复合材料的载流性能也好。D1试验接触电阻的电噪声为0.098Ω，平均接触电阻为0.261Ω。工况1时A4、D1的导电性能良好。图9(d)中，A1处于最优状态，C3、D4处于稳定状态，D4的平均电阻为0.477Ω，电噪声为Ω，C3的平均电阻为0.312Ω，电噪声为0.1173Ω，A1的平均电阻为0.162Ω，电噪声为0.22Ω。工况4中A1、C3的导电性能良好。

图9(b)为工况2，B2在载流过程中电噪声为0.0137Ω，平均电阻为0.2373Ω，接触电阻波动较小，稳定期集中在0.24Ω左右。复合材料C3在载流过程中的接触电阻缓慢降低，电噪声为0.0195Ω，平均电阻为0.1308Ω。B2、C3具有良好的导电性能。图9(c)为工况3，复合材料B2和D3的动态接触电阻波动较小，处于平稳状态，平均接触电阻分别为0.2472Ω、0.1289Ω，电噪声分别为0.007Ω、0.0146Ω。B2、D3的导电性能良好。

通过分析16种复合材料的摩擦学性能、磨损性能、载流性能、导电性能，研究分别在四种工况下的最佳减摩耐磨导电性能，表3为各个工况下不同性能的最佳复合材料。

表3 四种工况下不同性能的最佳复合材料

工况1中，复合材料MoS₂含量为15％-20％，材料具有良好载流摩擦学性能。工况2中，复合材料B2(烧结温度1000K、CNTs含量0.1％、MoS₂含量5％)具有良好载流摩擦学性能。工况3中，复合材料CNTs含量为1％、烧结温度为1100K-1200K时，材料具有良好载流摩擦学性能。工况4中，复合材料D1(烧结温度1200K、MoS₂含量20％)具有良好载流摩擦学性能。

Claims

1.一种导电滑环的复合材料，其特征在于，以质量分数计包括二硫化钼5-20%，碳纳米管0-1%，铜粉余量，其制备方法包括如下步骤：

（1）按所需配比的Cu、MoS2、CNTs称量，干燥后进行混料球磨；

（2）将充分混粉后的粉末通过压片机静压成销试样；

（3）销试样在真空下进行烧结，保温后进行退火即可得试件，烧结温度采用900 K、1000K、1100 K、1200 K中任一种，烧结后保温1.5小时，退火的工艺为：降温速度为8-12℃/min，降至350 ℃时，保温1 h，然后继续降到室温。

2.根据权利要求1所述的导电滑环的复合材料，其特征在于，铜粉的纯度大于99.9%，粒度为5-8 μm；二硫化钼粉末纯度大于99%，粒度为10 μm；碳纳米管的纯度大于95%，内径3-5nm，外径为8-15 nm，长度为3-12 μm。

3.一种采用权利要求1所述的导电滑环的复合材料的制备试件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（2）将充分混粉后的粉末通过压片机静压成销试样；

4.根据权利要求3所述的导电滑环的复合材料的制备试件的方法，其特征在于，所述步骤（1）中采用立式行星式球磨机进行球磨。

5.根据权利要求3所述的导电滑环的复合材料的制备试件的方法，其特征在于，所述步骤（1）中球磨时采用氧化锆磨球，球料比为5:1-10:1，球磨时长为135min，转速设置为350rpm。

6.根据权利要求3所述的导电滑环的复合材料的制备试件的方法，其特征在于，所述步骤（3）中采用真空管式炉进行烧结，烧结前对管式炉抽真空，真空度抽至-0.1 MPa以下。