项目名称：力-热-电性能匹配的载流摩擦铜基复合材料研究

批准号：U1804252

项目负责人：张永振  教授

主要成员：李亚萍、李卫、贺甜甜、杨正海、孙超、傅丽华、贺春、李杰等

项目时间：2017年1月-2021年12月

主要完成单位：河南科技大学、许昌开普检测研究院股份有限公司、暨南大学

项目成果摘要：

随着我国现代交通运输、电力通讯和国防军事等领域的迅猛发展，其相关载流摩擦机械部件的可靠性和安全性等问题对载流摩擦材料提出了更高的要求。为此，本项目以Cu/C复合材料为对象，通过解析Cu/C复合材料载流摩擦学行为规律，建立载流摩擦条件-材料-损伤间的匹配关系；着重探索了铜基复合材料载流摩擦副表面力-电-热负荷集中效应的形成机制、动态规律及其对材料非均匀损伤的影响，建立了相关损伤模型；以铜基复合材料的损伤模型为基础，提出了Cu/C梯度复合材料的设计原理和方法，以用于同步改善材料的载流与摩擦性能，并以此实现了系统整体寿命和可靠性的提高；通过载流摩擦磨损实验，系统研究了多种条件下Cu/C梯度复合材料的电/机械耦合损伤转化机制、表面润滑/导电膜形成与破坏机制以及其抑损机制。该项目首次明确了载流摩擦材料的性能恶化与损伤的耦合机制，确定了材料的载流摩擦学行为表现为多重耦合体系特性，且力/热/电负荷集中效应与材料组织性能动态演变存在激励反馈效应。本项目的相关研究数据和学术观点可用于进一步完善摩擦学基础理论，可为不同工况下铜基载流摩擦副的开发提供理论参考，能够为解决我国相关高端长寿命、高可靠性的载流摩擦副损伤问题提供数据支撑，同时能够为我国高性能铜合金载流摩擦材料多样化产品的开发、性能优化和应用提供技术支持。

成果一：梯度材料对铜基复合材料载流摩擦磨损性能的影响

载流摩擦副是指在一对摩擦副中有电流通过的摩擦副，它广泛应用于高速列车的输电弓网、各种电器触头开关以及电机碳刷等领域，并在其他各个领域应用也都十分广泛。载流摩擦中的摩擦副需要同时满足载流功能和良好的摩擦磨损性能。随着我国工业技术的发展，载流摩擦副的服役条件变得越来越苛刻，为了适应不同的环境，现在对载流摩擦副的要求越来越高。目前，本实验室对材料的损伤研究表明：材料的载流损伤呈现梯度化。采用粉末冶金的方法制备梯度铜碳复合材料和铜碳复合材料，对材料的导电率、梯度材料梯度间的界面结合情况、载流效率和摩擦系数等参数进行研究，并且对磨损后的表面形貌进行观察研究，为制备高性能载流摩擦材料提供参考。如图1所示，使用放电等离子烧结技术可以制备铜-石墨梯度复合材料，梯度材料层间结合紧密，每层中石墨均匀分布，铜与石墨界面结合紧密；对非梯度材料分析发现，随着碳含量的升高，电弧侵蚀面积逐渐降低；电弧侵蚀区域不但存在于出口区域和试样的边缘位置，而且其他位置也有存在，并且以长条状电弧侵蚀为主；对梯度材料和非梯度材料分析发现，梯度材料的电弧侵蚀区域主要集中在摩擦磨损的出口区域，且其磨损的主要形式为机械磨损；梯度的摩擦系数平均值略大于碳含量10 %的摩擦系数，但梯度材料的波动幅度小；铜基梯度复合材料的磨损率与碳含量10 %的铜基材料对比，其磨损率差别不大。

图1 梯度Cu/C复合材料的摩擦学性能

成果二：不同转速对滚动载流摩擦磨损的影响

载流摩擦应用广泛，P-V-I对滑动载流副性能影响十分显著。同样是共面/载流摩擦接触，但P-V-I对滚动载流摩擦副性能影响仍未进行，其中，不同速度变化显著且变化频繁。通过开展不同转速对滚动载流摩擦磨损的影响研究发现（图2）：（1）随着转速的增加，实时电流曲线出现电弧波动就越早，且电流的波动性越大；（2）随着转速的增加，摩擦系数逐渐降低，接触电阻逐渐升高，且都随着电流的增加而增加，摩擦系数逐渐降低可能和材料响应有关；（3）随着转速的增加，材料表面黑色摩擦痕迹逐渐加重，磨损机制发生从机械磨损向电弧烧蚀的转变，材料表面氧化逐渐加重。

图2 不同转速下的滚动载流摩擦性能和电弧诱发的电流脉冲

成果三：液体水和电流对滚动载流摩擦磨损的耦合作用

通过研究水对铜材料载流摩擦的敏感性试验发现：加入水后摩擦系数会突然上升并超过1，接触电阻也有所上升；约0.5小时后中断滴水，摩擦表面逐渐风干，此时滚动载流摩擦性能逐渐恢复；再次加水后摩擦系数仍然快速上升，接触电阻跟随上升（图3）。分析表明：1、电流和水均对摩擦系数上升有贡献，水的作用更明显；2、水下摩擦系数的上升，导致表层塑性疲劳，在水的侵入下诱发表面点蚀；3、XPS分析表明，水中载流摩擦副表面发生了摩擦氧化和电化学氧化，水下静置对表面氧化影响不大。该成果发表在Tribology International 143 (2020) 106055上。

图3 滚动载流摩擦副对水的敏感性试验

成果四：转速对滚动载流摩擦副电损伤的影响

载流摩擦副是运动部件之间电功率和信号传输的唯一途径，是典型的单点失效部件。为了保证滚动载流摩擦副的合理设计和高可靠性运行，必须首先对其载流摩擦性能和损伤机制进行基础研究。如图4所示，研究表明：（1）电流1.5 A时，随着转速从4 r/min增加到600 r/min，平均摩擦系数从0.169逐渐降低到0.050；在相同转速下，载流摩擦系数大于电流为0时的机械摩擦系数；（2）电流1.5 A时，随着转速300 r/min增加到600 r/min，摩擦界面产生电弧放电，平均燃弧率从0.895%增加到9.214%，平均电弧能量从0.350 mJ增加到0.788 mJ。同时，实时电流产生剧烈脉冲波动，平均电流波动系数从0.556%增加到1.631%；（3）电弧导致摩擦副损伤机制由低转速时的机械损伤转变为高转速时的机械损伤和电弧烧蚀并存，电弧烧蚀表面丧失金属光泽，并可观察到烧蚀坑和表面氧化。

图4 相同电流不同转速条件下的燃弧率

成果五：载荷对滚动载流摩擦副摩擦学性能和电损伤的影响

载流摩擦副是运动部件之间电功率和信号传输的唯一途径，是典型的单点失效部件。为了保证滚动载流摩擦副的合理设计和高可靠性运行，必须首先对其载流摩擦性能和损伤机制进行基础研究。如图5所示，研究发现：（1）随着载荷的增加，平均摩擦系数逐渐下降，在相同载荷条件下，转速越大平均摩擦系数越小；（2）随着载荷的增加，平均接触电阻逐渐升高，在相同载荷条件下，转速越大平均接触电阻越大；（3）随着载荷增加，摩擦副出现电弧损伤的时间越快，失效越快，且随着载荷的增加，摩擦副的损伤机制由机械摩擦转变为电弧烧蚀。

图5 在相同转速不同载荷下试样磨损表面形貌