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层状石墨—铜复合材料的制备及摩擦学行为研究

肖志杰  
【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。


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