碳纤维_中铜_石墨复合材料的摩擦磨损性能研究.docxVIP

碳纤维2中铜2石墨复合材料的摩擦磨损性能研究许少凡王文芳凤仪颜士钦应美芳王成福(合肥工业大学材料科学与工程系合肥230009)摘要对采用粉末冶金法制备的含不同质量分数的碳纤维2中铜2石墨复合材料,在滑动速度为15m?s,载荷4.9N的条件下,分别进行了50h的不通电和通电干摩擦试验,并用扫描电镜对其磨损表面进行了观察分析.结果表明:在无电流干摩擦条件下,随碳纤维含量的增加,复合材料的摩擦系数和磨损量逐渐减小;而在电流密度为20A?cm2时,复合材料的摩擦系数比不通电时小,但磨损量比不通电时大3～7倍,磨损机理也有差别.关键词碳纤维2中铜2石墨复合材料通电干摩擦摩擦磨损性能分类号TB33.3铜2石墨复合材料是一类被广泛应用的金属2石墨电刷材料1.在铜2石墨电刷材料中又以含质量分数(全文同)小于75%的中铜2石墨电刷材料用量最大.电机工业的发展对电刷材料的要求越来越高,如电机向小型化、高转速、高效率发展,要求电刷材料允许的线速度大,工作电流密度大,接触电压降低,摩擦系数和磨损率小2.而传统的中铜2石墨电刷材料很难满足其要求.碳纤维不仅具有高的比强度、比模量,而且具有良好的减摩耐磨和一定的导电导热性能,并且密度和热膨胀系数小,成本低.因此在结构材料与热电及减摩耐磨功能材料中得到了广泛应用3.本文利用碳纤维的上述特性,将其加入中铜2石墨电刷材料中制成碳纤维2中铜2石墨复合材料.在模拟电机工作条件下,考察复合材料的摩擦磨损性能,探讨其磨损机理.1试验材料与方法1.1试验材料所用碳纤维为国产HT型碳纤维,其抗拉强度为2580MPa,弹性模量为226GPa,密度为1.7g?cm3,单丝直径为7Λm,每束由1000根单丝组成.将碳纤维经连续电镀铜处理后,切割成0.5～1.0mm的短纤维,与国产高纯铜粉、石墨粉及专用混料剂混合,在200MPa3国家自然科学基金和机械部资助项目?1997204204收到初稿,1998207210收到修改稿?本文通讯联系人许少凡.许少凡王文芳凤仪颜士钦应美芳王成福男,43岁,讲师,目前主要从事金属基复合材料研究,发表论文10余篇,获奖2项.女,40岁,工程师,目前从事金属基复合材料研究.男,34岁,副教授,目前主要从事金属基复合材料研究,发表论文20余篇,获奖多项.男,31岁,助理研究员,目前主要从事金属基复合材料研究,发表论文10余篇,获奖2项.女,62岁,研究员,目前侧重于复合材料开发应用研究,获奖多项.男,62岁,教授,目前主要从事金属基复合材料研究,发表论文60余篇.许少凡等:碳纤维2中铜2石墨复合材料的摩擦磨损性能研究第3期255的压力下压制成型后,在980±10℃下烧结,分别制成含碳纤维0%～1.0%、含铜73%、余量为石墨的碳纤维2中铜2石墨复合材料,再将其加工成40mm×25mm×8mm的电刷.1.2试验方法根据国标G电机用电刷运行性能试验方法》,在特制的模拟电机工作状况的试验机上进行摩擦磨损试验,试件运动方式为环2块滑动.对磨环用铜材制成,与电机的短路换向器形状相似,尺寸为320mm×60mm,环表面开有轴向槽,槽距为5.5mm,槽宽为015mm,槽深为1～3mm.换向器由拖动电机带动.一对正负电刷在换向器上的分布位置如图1所示.电刷由可调节直流电源供电.摩擦磨损试验前,使复合材料电刷沿换向器弧面进行一定时间的机械磨合,以保证电刷与换向器之间良好的面接触.随后在载荷4.9N,滑动线速度15m?s的条件下,先进行50h的不通电摩擦试验,然后在同样的条件下,对电刷通以20A?cm2的电流进行50h的通电摩擦试验,每隔1h测量一次正负电刷的接触电压降.分别对不通电和通电条件下复合材料的摩擦系数和磨损量进行测定;摩擦系数按功率损耗法用下式计算:W-WaΛ=(1).9.81NbrFrrv式中:Λ为电刷材料的摩擦系数;W为试验电刷与短路换向器接触时拖动电机的负载功率,单位W;Wa为试验电刷与短路换向器不接触时拖动电机的空载功率,单位W;Nb为电刷数量(本试验电刷数为2);Fr为加在每个电刷上的径向作用力,单位N(本试验电刷径向作用力为Fig1Locationoftheelectricbrushonthepolechanger图1电刷在换向器上的分布位置4.9N);v为短路换向器的线速度,单位m?s(本试验短路换向器的线速度为15m?s).用分析天平测量电刷材料磨损前后的磨损质量损失,并以此表示磨损量.采用扫描电镜对磨损表面形貌进行分析,以探讨碳纤维对复合材料摩擦磨损性能的影响.表1不通电状态下试验材料的摩擦系数和磨损质量损失Table1Thecoefficientoffrictionandthewearmasslossoftestedmaterialsundernoelectricalco