铜基电接触材料的制备与摩擦性能研究

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过渡族金属硫硒化物MX2(M=Nb、Ta、Ti、Mo、W等;X=S、Se、Te)因具有和石墨、MoS2相同的层状结构已经引起科研工作者的关注和兴趣。近些年来,MX2作为固体润滑添加剂得到了广泛的研究与应用。目前常用的电接触材料主要是铜合金和银合金,因为银的导电性很好,通常作为电接触材料的首选,然而因为银的价格较高,所以在很多场合限制了其使用。而铜基复合材料如Cu-MoS2或者Cu-石墨等作为常用的电接触复合材料在使用过程中存在较多问题,石墨在真空中磨损率较高,而作为固体润滑剂的MoS2虽然具有较低的摩擦系数,但其导电性能差。NbSe2和TiSe2与MoS2有着相似的结构,且它们有较低的电阻率、并能在真空干燥环境下保持良好的摩擦学性能,其中TiSe2较为坚硬,添加到铜基体中可以改善摩擦特性的同时提高复合材料的机械性能,因此选择NbSe2和TiSe2添加到铜基复合材料中作为新型电接触材料具有新颖性,具体工作如下:  (1)本文采用热固相反应法生成NbSe2和TiSe2微纳米材料,分别选用两种不同的反应温度生成了微纳米纤维和微纳米片。并用XRD,SEM、TEM(HRTEM)对热固相反应生成的合成物进行了成分、微观形貌和结构的分析。测试结果表明:Se粉和Nb粉在700℃下生成微纳米纤维,在800℃下生成微纳米片;而Se粉和Ti粉在600℃下生成微纳米纤维,700℃下生成微纳米片,由HRTEM可以看出均具有层状生长结构。  (2)选用铜基体,将不同形貌的NbSe2和TiSe2微纳米颗粒按一定的质量比(NbSe2:20wt.%、15wt.%、10wt.%、5wt.%、0wt.%; TiSe2:0wt.%、5wt.%、10wt.%、15wt.%、20wt.%)添加到铜基体中用作固体润滑相,采用粉末冶金法分别选择650℃和750℃这两种烧结温度下制备铜基电接触复合材料。通过改变负载、转速和测试时间等对其进行摩擦磨损试验,研究结果表明:添加NbSe2和TiSe2微纳米纤维比添加NbSe2和TiSe2微纳米片的铜基复合材料摩擦学性能更优异;同时发现添加10wt.% NbSe2和10wt.% TiSe2铜基电接触复合材料的摩擦学性能是最优的。  (3)对铜基-NbSe2-TiSe2复合材料运用X射线衍射仪、扫描电镜、光电子能谱仪等微观分析手段,对铜基电接触复合材料显微组织、成分、表面磨痕形貌、磨损行为进行分析,探讨了在室温下铜基电接触复合材料的摩擦磨损行为及机理。由铜-NbSe2-TiSe2复合材料的成分及性能测试结果分析可知,添加的NbSe2和TiSe2由于部分与Cu基体发生反应生成了CuxNbSe2和CuxTiSe2,其铜基复合材料机械强度得到提高,耐磨性得到大大的改善。
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