碳含量对Al2O3弥散强化铜材料性能的影响

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弥散强化铜材料拥有优良的物理性能、摩擦学性能以及很好的导电及导热性,经常用于点焊和装焊机电极,在电车、地铁、和电力火车的高强度电力导线当中也频繁使用。但现代载流摩擦材料使用得工况越来越严苛,不仅要求材料具有更高的导电性和优异磨损性能,同时要求材料具有很长的使用年限。单一的弥散强化铜材料或铜碳复合材料都难以同时满足这些苛刻的条件,所以自润滑弥散强化铜材料的制备和基础研究对载流摩擦材料的发展具有很大的意义。  本文以探究不同的碳形态及其质量分数对Al2O3弥散强化铜材料载流摩擦性能的影响为目的,利用V型混料器、MY-315四柱式万能油压机、钟罩式烧结炉等设备,用内氧化法分别制备出石墨和碳纤维自润滑Al2O3弥散强化铜材料,利用布氏硬度仪测定其硬度、利用排水法测量材料的密度,同时在HST-100高速载流摩擦磨损试验机中进行载流摩擦磨损实验,利用光检测装置测量电弧特性,用电子扫描显微镜(SEM)、三维表面形貌仪和X射线衍射(XRD)观察分析磨损表面的形貌以及成分的变化,研究材料在载流摩擦条件下的磨损机制和表面行为。  研究结果表明:  1.增加石墨和碳纤维含量会降低弥散强化铜材料的硬度和密度,降低材料的磨损量和摩擦系数。碳纤维或石墨的加入能够显著提升弥散强化铜材料的减摩抗磨性能。  2.在弥散强化铜材料中加入石墨和碳纤维均可提高所制备复合材料的载流效率和载流稳定性。随着电流密度的提高,材料的摩擦系数会降低,磨损率有所上升;电流密度增加,材料的载流效率和载流稳定性有所降低。  3.石墨和碳纤维的加入能够降低材料磨损表面粗糙度、起弧率、起弧时间和电弧能量,提高材料的载流质量和摩擦磨损性能。  4.对比1%的石墨/铜材料,1%碳纤维/铜材料有良好的摩擦磨损性能及载流性能。这是由于石墨在材料摩擦磨损过程中比碳纤维更易剥落,致使材料表面产生凹坑,从而增大了材料的起弧时间和起弧能量,使磨损率增加,载流性能恶化。  5.对比实验结果,石墨含量为7.5%wt时,制得的石墨-铜弥散强化材料性能最佳;碳纤维加入量为1.5%wt时,所得的碳纤维-铜弥散强化材料性能最佳。
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