铜基功能梯度材料的研究

【摘要】： 电力机车滑板材料的研究和开发,在较长时间内是个难以解决的问题。本实验设计出一种新型铜基功能梯度材料,使材料表面具备良好的摩擦学性能,同时材料整体具有良好的机械性能和导电性能,以满足电力机车受电弓滑板材料的使用要求。 采用粉末冶金法制备出铜基梯度复合材料,分析了不同底层组成、表层组成以及不同的梯度层数量对梯度材料性能的影响。研究结果表明,当材料底层ZrO2_含量为3%时,材料具有最佳物理—机械性能;材料表层的石墨含量为10%的时候,材料摩擦磨损性能优异,材料不仅可以在不同的摩擦速度下发挥良好的摩擦学性能,而且还可以在长时间的摩擦磨损条件下稳定的发挥作用。 微观分析表明,铜基梯度复合材料Cu- ZrO_2/ Cu-C材料组织分布均匀,表层与底层界面的过渡平稳,界面结合强度较高。磨损表面形貌表明,石墨含量为10%的梯度材料摩擦表面较为光滑,犁沟与剥层明显少于其它材料。 运用ANSYS对三种不同表层组成的材料进行模拟分析,结果表明:三种材料的温度分布有一定的差异,随着表层石墨含量的增加,材料表面层的温度梯度也相应增高,表面层石墨含量为5%时,材料整体的温度过渡几乎是均匀的。三种材料的Mises等效应力和应力强度的最大值随着石墨含量的增加有所降低。三种材料的剪切应力最大值随着石墨含量的增加而升高。通过应力分析与计算证明,铜基梯度材料具有一定的实际应用价值。