石墨含量对电接触材料CNTs-Ag-G摩擦磨损特性的影响.docx

译 文

原文题目：Influence of graphite content on sliding wear characteristics of CNTs-Ag-G electrical contact materials
译文题目：石墨含量对电接触材料CNTs-Ag-G摩擦磨损特性的影响
学 院： 机电工程学院
专业班级： 材料成型及控制工程09（1）班
学生姓名： 袁玉桂
学 号： 40902050129

石墨含量对电接触材料CNTs-Ag-G摩
擦磨损特性的影响

摘要
通过对粉末冶金法制备的电接触材料CNTs-Ag-G的研究. 对石墨含量在该材料电接触水平中滑动磨损特性方面的影响进行了研究。在实验中，CNTs含量保留为1%（质量分数），石墨分别的含量按8%，10%，13%，15%和18%增加。结果表明，随着石墨含量的增加，电接点接触电阻先提高到一定水平然后保持不变。摩擦系数随着石墨含量的增加逐渐减小。磨损质量损失降低到最小值，然后增加。随着石墨含量小，粘着磨损受阻，从而导致的磨损质量损失减少，而过多的石墨会带来许多的磨屑，造成质量损失的增加。该研究的结论是：当石墨质量分数约为13%，磨损量达到最小值。与传统的接触材料Ag-G相比，由于硬度和电导率明显增加，CNTs-Ag-G复合材料的磨损量更少，降低了复合材料与导电滑环摩擦表面温度，可更好的抑制粘着磨损。
关键词：CNTs-Ag-G电接触材料 石墨 接触电阻 摩擦系数 磨损量
1.引言
滑动触点作为电气电路的关键部分的作用是电机运动和静止部件之间电力和信号的传递【1-3】，这种类型的接触方式已经应用很多年。并且，在许多方面得到重要的应用，例如，换向器电刷的直流电机，交流发电机的滑动接触系统。在这些应用中，要保持电机的效率有许多因素必须考虑，如电刷和转子材料的高电阻，良好的电和热导率，甚至延长电器工作时间【4-7】。
许多种类的滑动接触的材料必须在恶劣的条件下使用。目前，作为新材料之一的银及其合金因为其显著的电导率和氧化稳定性而被广泛使用。
传统的Ag-G电接触材料，随着石墨含量的增加，其润滑性能和耐磨性能明显提高，但导电性、导热性和强度下降。然而，随着银含量的增加，电导率和热导率都有所提高，但润滑和耐磨性能下降【8-11】。
在大多数情况下，新刷的材料的开发是根据经验考虑材料的抗磨损和所需的电气特性选择复合材料的组合物来制备。
在这项工作中，通过研究石墨含量对复合材料摩擦磨损性能的影响表明石墨含量和电接触材料的摩擦学特性之间的相互关系。

2.实验
由于大长径比和范德华力的影响，早先的碳纳米材料微观结构表现为旋转和聚集【12-15】。为了提高表面粗糙度，从而提高界面强度和分散，碳你米材料在硝酸和硫酸的混合物中进行氧化处理。氧化处理的碳纳米材料体积小并且能够改善其分散状况【16-17】。
采用粉末冶金的方法制备了复合材料。银粉，天然薄片石墨和碳纳米材料均匀混合，用研钵、研棒手工研磨30分钟，混合物在钢制模具中200MPa的压力下保压5分钟，然后在700℃、H2气氛中等温烧结1小时即可制成CNTs-Ag-G复合材料。复合材料的最终在400Mpa的压力下保压。制得的式样长24mm，宽12.5mm，高20mm【18】。复合材料的形态，如图1所示。石墨在基体中均匀分布，保证了电刷良好的自润滑性能。

图1 CNTs-Ag-G复合材料的微观结构

摩擦磨损试验在磨损试验机上使用环电刷进行（如;图2）。在实验中使用的环直径为320mm和宽度为60mm由Cu-5﹪Ag合金制成。环的硬度HB105。

图2 磨损试验机示意图

试样的磨损表面用扫描电子显微镜观察，润滑油膜的组合物采用X-射线光电子能谱分析。在这一系列的测试，环的滑动速度为10m/s，正常负载2.5 N/㎡，总滑动时间为30小时。
3.结论和讨论
3.1 接触电阻
图3分别描述了石墨含量对正、负电刷的接触电阻的影响。从图中，我们可以看到，随着石墨含量的增加接触电阻增加到一定水平保持不变。

图3 石墨含量对接触电阻的影响

由于所有的固体表面在微观上都是粗糙的，因此环和电刷之间的真实接触面积是只有其宏观接触面积的一小部分，被称为“ɑ点”。该点扭曲和收缩，当电流通过接触点，导致接触电阻【19-20】。
结果表明，在接触面必须形成薄的、均匀而连续的薄膜。润滑膜的形成不仅与电刷和滑环的材料相关，其表面条件和工作环境也引起一系列的物理和化学反应【21】。
电磨损的接触电阻Rc是润滑油膜的射频电阻Rf、收缩电阻Rs的总和【22】：

其中是复合材料的电阻率，P是实验压力，n是接触点的数目，H为材料的布氏硬度，是单位面积的薄膜电阻，接触点半径。

从表1中，我们发现，随着石墨含量的增加复合材料的电阻率增加但其布氏硬度降低。 为简单起见，在收缩性的评价时，只有和H为方差变化，根据计算，收缩电阻值大约相当于润滑膜的电阻由于接触电阻随石墨含量的增加而变化的量。

表1：布氏硬度和复合材料的电阻率
Wc/％ 布氏硬度 电阻率/（）
8 48.4 4.228
10 43.2 4.558
13 36.1 6.601
15 29.2 6.922
18 23.4 9.648

图4显示不同石墨含量时复合材料的润滑膜形貌（8%和18%）。随着石墨含量的增加，润滑膜的覆盖面积增加。石墨的量少，材料不能提供足够的石墨形成的润滑膜，以并且薄膜层是不连续的，容易从接口处隔开，因此润滑膜的电阻很低。随着石墨含量的增加，油膜变厚，更连续，同时使润滑膜的电阻增加。由于碳纳米管（CNTs）的磨削性能，防止了润滑膜进一步增厚，使其处于动态平衡状态。结果表明，润滑膜的的增加到一定水平保持不变。

图4 不同石墨含量对应的润滑膜形态：（a）8%；（b）18%
3.2 摩擦系数
图5显示了有无电流、石墨含量与摩擦系数的相互关系。从图中我们可以看到，摩擦系数随着石墨含量的增加逐渐减小。它表明，石墨提高了复合材料的摩擦性能。

图5 石墨含量对摩擦系数的影响

摩擦和磨损过程中，石墨碎片在接触界面上积累并逐渐展开，形成一层润滑膜。接触面从金属与金属接变为金属与润滑膜之间的接触，从而降低了摩擦系数。对于石墨含量较低的复合材料（如8%），形成润滑膜非常困难，因为基体材料和环之间粘黏的可能性很高性。随着复合材料中石墨含量的增加，形成的润滑膜越连续，摩擦系数越低。
XPS结论（图6）表明，润滑膜的碳含量约为63.24%和95.68%，远超过相对应的复合材料中的石墨含量（8%和18%）。因为石墨特殊的晶体结构，所以它具有良好的自润滑性能【23】。在磨损过程中，复合材料表面的石墨在摩擦和力的作用下被剥离、研磨成碎片。石墨碎片展开并填充环在和电刷之间，形成润滑膜，从而提高了润滑性能，降低了复合材料的摩擦系数。

结合能/eV

结合能/eV

图6 XPS模式下复合材料的润滑膜：（a）CNT-Ag-G18％；（b）CNT-Aa-8 %G
从图5中，我们还可以看到，当前复合材料的摩擦系数大于无电流。这是由于在两个磨损过程中功率损耗的差异。
总损耗功率是机械损失Wm与电气损失之和We：

式中：μ是电刷摩擦系数，p是接触压力， v是环的转速环，J为实验的电流密度。

在电磨损（电流密度10 A/c㎡）、电气和机械损失的综合影响造成极高的温度，破坏润滑膜部分，使深层磨疤，并最终增加磨擦表面的粗糙度（图7），这解释了电磨损的摩擦系数较大的原因。

图7 复合材料CNT-Ag-18％G磨损表面形貌：（a）机械磨损；（b）电磨损

3.3 摩擦质量损失
图8分别提供了石墨含量对复合材料的磨擦磨损和电磨损下质量损失的影响。随着石墨含量的增加，磨损质量损失减小到最小值然后又升高。低石墨含量的复合材料，由于硬度较高只有少量的石墨从电刷中挤出（表1），因此不易形成润滑膜，发生磨损和粘黏（如图所示），阻碍了环和电刷之间的运动。然而，随着复合材料中石墨含量增加，润滑膜变得越来越容易形成和粘着磨损减少，这说明随石墨含量的增加磨损量减少。

图9 复合材料CNTs-Ag-G磨损表面的SEM照片

然而，随着石墨含量的增加（超过13%），电刷变得柔软。在磨损过程中，环的硬质凸点压入电刷，并且磨损表面沿滑动方向发生塑性变形，到最后石墨裸露出来。石墨是研磨成细颗粒，在环和电刷之间铺展，形成一层膜作为固体润滑剂或成为磨损损失构成。在复合材料中添加更多石墨，实验过程中产生更多的碎片，导致更大的磨损质量损失。最终实验结论表明，当石墨质量分数约为13%，磨损量达到最小值。
从图中，我们可以看到，有电流时复合材料的磨损质量损失大于无电流时。首先，磨损表面变得粗糙，润滑膜很难在不断电磨损下形成，因此导致多的磨损碎片在摩擦力的作用下剥落。并且在接触点的焦耳热也是导致磨损质量变大的一个重要因素。它使润滑膜薄而易剥落、不连续，很容易被破坏。
在电磨损过程中，在大气中的水蒸气在电解的作用下分解成氢和氧：

在电场作用下，氢氧根移动到正极电刷和正刷表面的石墨发生氧化反应：

因此，由于石墨颗粒之间以及石墨粒子和银矩阵之间约束力减弱，在摩擦力作用下石墨颗粒容易剥离出来。结果导致电磨损的磨损量及其变化幅度高于机械磨损。

3.4 1％CNTs-Ag-13％G与常规复合
材料Ag-13％G摩擦性能对比

表2显示:1%CNTs-Ag-G与Ag-13%G相同石墨含量时的磨损性能。 从表2中可以看出，复合材料1% CNts-Ag-13 % G布氏硬度增加45.7%，与传统的复合Ag-G.相比，电阻率下降了14%。

表2：1%CNTs-Ag-G与Ag-13%的磨损性能
复合材料 布氏硬度 电阻率/ 磨损质量损失 /g

Ag-13%G 24.79 7.647 0.253

1%CNTs-Ag-G 36.11 6.601 0.114

经过压制和烧结，得到的高强度的碳纳米材料的纤维直径在30-50 nm之间并均匀分布在复合材料中。由于碳纳米材料具有高的比强度和良好的导电性，因此复合材料的硬度和电导率显著提高。
加入1%CNTs,复合材料的耐磨性大大增强，且其磨损质量损失与Ag-13 %G相比减少了55％。对于无CNTs的复合材料来说，因其硬度较低，在实验过程中滑环碳刷中的银与滑环中的铜之间容易出现局部塑性变形和粘黏。接触点会在下周期性的滑动中剪断，因此接触点的硬度由于加工硬化的效果增加。在以后的滑动中，由于接触点具有很高的硬度，被剪断的部分很容易地嵌入在基质中，划伤复合材料表面，并对它进行沟槽，造成严重磨损质量损失。然而加入1%CNTs的复合材料其硬度显著提高，CNTs完全嵌入并贯穿基体中，因此接触点很难磨损。并且还能够明显减少降低其电阻率，加入的CNTs还能减少电能损耗、降低摩擦表面温度，因此，复合材料和滑环之间的粘着磨损被抑制，并且1%CNTs-Ag-G的磨损质量损失远小于没有CNTs的复合材料。
4.结论
1）润滑膜决定接触电阻的变化，由于石墨的吸附和CNsT的磨削作用，随石墨含量的不断增加，膜电阻和接触电阻提高到一定水平然后保持不变。
2）随着复合材料中石墨含量的增加，形成连续的润滑膜，从而降低摩擦系数。由于电磨损、电气和机械损失的综合影响下导致摩擦系数较大。
3）磨损质量损失降低到最小值，然后随石墨含量的增加而增加，由于石墨不仅阻碍了粘着磨损也产生大量的碎片。结论是，当石墨质量分数约为13%，磨损量达到最小值。
4）复合材料中加入的CNTs大大提高了布氏硬度和电导率，在磨损过程中，降低了摩擦表面的温度，抑制粘着磨损，结果表明，相同石墨含量时加入CNTs的复合材料的磨损量比同传统的复合材料的磨损量少的多。
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