CNTs/NbSe2/Cu基自润滑复合材料的制备及其摩擦学性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)镇江高等专科学校化工系 作者:徐兵

  将CNTs、Se粉和Nb粉按一定化学计量比均匀混合,通过固相反应生成碳纳米管(CNTs)/NbSe2复合材料,然后以生成的CNTs/NbSe2复合材料为固体润滑相,Cu为基体相,通过粉末冶金的方法制备出了CNTs/NbSe2/Cu基自润滑复合材料。利用UMT-2摩擦磨损试验机对材料的摩擦磨损性能进行评价,结果表明NbSe2/Cu基自润滑复合材料具有较好的摩擦学性能,磨痕平滑;随着1%(质量比)CNTs的加入,CNTs/NbSe2/Cu基自润滑复合材料摩擦学性能更为优异,其痕更平滑。这是由于具有优异润滑性能的NbSe2和均匀弥散分布在Cu基体中的大长径比管状结构的CNTs一起起到了协同强化和减摩耐磨作用,最终导致材料的机械和摩擦学性能同时提高。

  近几十年来随着科技的进步和材料科学的发展,聚合物基、陶瓷基和金属基等固体自润滑复合材料应用日趋广泛,其性能也在不断改善。其中,由于金属基固体自润滑复合材料具有十分优良的综合性能,其在交通运输设备、生产机械、办公设备、家用电器、精密仪器以及军事装备等领域都起着十分重要的作用,逐渐成为材料科学研究和开发的重点。金属基固体自润滑复合材料同时具有十分优良的塑性和韧性,能得到较好的加工,而且能够适应于高温和高真空等恶劣的环境,其中的一部分金属基复合材料应用在具有相对运动的带电接触的元器件中,这类材料可称之为电接触材料,电接触材料是各类电器中的必不可少的关键部件,承担传递电能、电信号、接触和分断电路等重要任务,其性能的好坏直接关系到仪器的可靠性、稳定性和使用寿命。由于电接触材料与传统的摩擦副不同,其在使用过程中,除了受到摩擦力与接触应力以外,还有电弧的灼烧、电火花现象以及电流对材料接触表面的微观改变,因此作为电接触材料通常要求其同时具有优良的导电、导热性、抗磨减摩性和较好的机械强度。传统的银基石墨材料及铜基石墨复合材料作为两种典型的电接触材料,广泛应用于机械、电器等领域,但银和铜的强度硬度较低,易磨损,而其中的石墨较软主要起到润滑相作用,其强化基体的作用不大。所以在高速高载荷、大电流等苛刻的条件,这些电接触材料难以满足这些要求。随着科技的发展,电接触材料的性能要求越来越高,故研究新型的电接触材料很有必要。

  铜基自润滑复合材料拥有良好的导热、导电、自润滑性能,而且具有较好的摩擦性能,得到了广泛关注。NbSe2由于其具有优异的摩擦性能和导电性能,引起了学者们的广泛研究,其导电性比MoS2低六个数量级,比石墨低一个数量级,摩擦性能优于石墨,故其很适合作为电接触材料润滑相,但其应用于铜基自润滑材料的研究,国内均报导较少。碳纳米管(CNTs)由于具有比强度高、弹性模量大、机械性能好、摩擦性能优异、耐高温以及优异的导电导热性等一系列特性使其成为一种理想的复合材料增强体。但CNTs在电接触材料中的研究应用还鲜见报道。因此,本文在此背景下先制备了CNTs/NbSe2纳米粉末复合材料,然后以Cu为基相,采用粉末冶金方法制备了CNTs/NbSe2/Cu基自润滑复合材料,结果表明CNTs/NbSe2/Cu基自润滑复合材料表现出优异的摩擦学性能,少量CNTs的加入大大提高了Cu基自润滑复合材料的摩擦学性能及机械性能。

  1、实验

  1.1、实验原料

  Nb粉(纯度99%,200目),Se粉(纯度99%,300目),CNTs(购自深圳纳米港有限公司,其规格为1~2μm,管径10~20nm,纯度大于95%),Cu粉(纯度99%,270目)。

  1.2、制备方法

  由于CNTs长径比大,容易缠绕在一起,故为了使CNTs能在后续的Cu基复合材料中充分混合均匀,按表1 所示的各组分质量百分含量称取CNTs、Se粉和Nb粉(nNb/nSe物质的量比为1∶2.2),然后按照钢球与原料粉末的质量比为10∶1,称取不锈钢球和粉末混合放入球磨罐,其中钢球直径为8mm,用机械泵抽取罐中真空并通入氩气,反复3-5次,调整QMISP2型球磨机以转速200r/min球磨9h。将球磨混合均匀后的粉末干燥后放入固相反应釜中。将其放入管式反应炉中加热到750℃,升温速率为10℃/min,充分反应2h后随炉自然冷却后打开得到不同试样粉末,分别将不同的各粉末与其表1中对应的Cu粉混合均匀,具体工艺如下:先在200MPa下进行冷压成坯,保压10min,然后在700℃的氩气保护气氛下烧结1h后,经400MPa下复压,保压时间10min,再在750℃的氩气保护气氛下烧结1h,最后得到NbSe2/Cu基自润滑复合材料A、B、C,以及CNTs/NbSe2/Cu基自润滑复合材料A1、B1、C1,尺寸规格为Φ15mm×5mm的圆柱体。

表1 各试样成分配比

CNTs/NbSe2/Cu基自润滑复合材料的制备及其摩擦学性能研究

  1.3、测试与表征

  采用X多晶粉末射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)来表征材料的物相组成和形貌及微观结构。采用电阻率检测仪、万能材料试验机和排水法测试块体样品的电阻率、硬度和密度。在UMT-2型摩擦磨损试验机上考察CNs/NbSe2/Cu基自润滑复合材料试样的摩擦学性能,摩擦副采用球-盘接触形式,上试样为直径为3mm的440-C(9Cr18)不锈钢球,其硬度为HRC62。下试样为Φ15mm×5mm的圆柱形实验试样,实验时上试样固定不动,下试样作旋转运动,转速为200r/min,旋转半径为5mm,载荷为0.5~3N,实验时间为10min。

  3、结论

  采用粉末冶金方法成功制备了CNTs/NbSe2/Cu基复合材料,实验表明其具有优异的摩擦学性能,且要优于NbSe2/Cu基复合材料;少量CNTs的加入能大大提高复合材料的摩擦学及力学性能,这是由于均匀弥散分布在Cu基体中的大长径比管状结构的CNTs,这犹如钢筋混凝土结构中的钢筋,对块体复合材料起到关键的强化作用,这两种润滑强化相一起起到了协同强化和减摩耐磨效果,最终导致材料的机械和摩擦学性能同时提高。

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