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电接触材料是一种特殊的导电材料,它不仅要求有良好的导电导热性、低的接触电阻、抗熔焊等,而且根据使用条件不同,要求更严格,如触头材料要求有抗电弧侵蚀能力,滑动电接触材料要求有减摩、耐磨性好等。梯度材料作为一种新材料,它能够实现从金属到陶瓷的连续过渡,将金属和陶瓷的性能很好地结合在一起。Ti3Si C2具有金属和陶瓷两者的特性,可作为铜基材料的增强相用以制备电接触材料。本研究制备出Cu-Ti3Si C2梯度复合材料,以高Ti3Si C2含量的一端作为电接触材料的工作面,另外以纯Cu的一端作为导电端,以梯度的形式将高Ti3Si C2含量的一端和纯Cu的一端连接起来,可以提高材料的导电性能和降低材料开裂的可能。本项目在制备出高纯Cu-Ti3Si C2复合材料和Cu-Ti3Si C2梯度材料的基础上,研究了Cu-Ti3Si C2复合材料在真空电弧下的烧蚀行为和在带电条件下的摩擦磨损行为。通过DSC和扩散偶实验研究了Cu/Ti3Si C2在高温下的热稳定性。Cu和Ti3Si C2在800℃时可稳定共存;Cu和Ti3Si C2在更高温度下会发生反应,Ti3Si C2主要分解成Ti C,释出的Si与Cu形成Cu(Si)固溶体(或Cu-Si化合物),同时还会生成Ti Si2和Ti5Si3Cx等过渡相。采用先压制成型后放电等离子烧结(SPS)的方法制备了Cu-Ti3Si C2复合材料和Cu-Ti3Si C2梯度材料。研究了压制压力和烧结温度对材料性能的影响。试验结果表明:Cu-Ti3Si C2复合材料的密度、硬度及抗弯强度随着压制压力的增加而提高,电阻率则随之降低,实验结果表明1000 MPa是理想的压制压力;当烧结温度超过800℃时,Cu和Ti3Si C2发生反应生成杂质Ti C和Ti5Si3。以表面镀有铜的Ti3Si C2粉末和电解铜粉为原料,采用145℃温压成型,700℃真空SPS制备出了纯净的Cu-Ti3Si C2复合材料。采用温压成型低温SPS(750℃)和温高速冲压成型低温SPS(750℃)两种方法制备出了Cu-Ti3Si C2梯度材料,其微观组织显示层与层之间没有明显的界线且结合良好,无明显缺陷和颗粒团聚。研究了Cu-Ti3Si C2复合材料在真空电弧下的烧蚀行为。研究发现,在真空电弧的影响下Cu-Ti3Si C2阴极表面的Ti3Si C2颗粒发生分解,分解产物的主要组成相有C和Ti C。随着Ti3Si C2含量的增加,Cu-Ti3Si C2阴极表面的粗糙程度逐渐增加,并且有颗粒状熔滴凸起。从Cu-Ti3Si C2阴极侵蚀区的纵切面可以清晰看到与经典的阴极蚀坑形成过程模型相符的状似沸腾的形貌。随Ti3Si C2含量的增加,沸腾状形貌逐渐减少,同时触头表面的侵蚀程度加剧。以Cu-20 mass%Ti3Si C2为例,开始时Ti3Si C2在电弧高温下分解,阴极表面侵蚀区有熔滴和主要由Cu、C混合物和部分发生分解的Ti3Si C2所组成的覆盖物;随着燃弧次数的增加,分解的Ti3Si C2增多,熔滴中的气孔(是Si或含Si化合物气化后所留下)增多,且熔滴开始变为熔融体;随着燃弧次数的进一步增加,侵蚀区的Ti3Si C2基本完全分解、大部分Si已逸出,且大量气孔被熔融Cu所充填;2000次燃弧后,侵蚀区的熔融体在等离子力的反复影响下被整合成熔化层,其形貌与阴极斑点影响区模型相符。这说明Cu-Ti3Si C2复合材料的侵蚀机理与金属材料的侵蚀机理基本相同,但多了一个Ti3Si C2的分解过程。Ti3Si C2的分解需要消耗大量的能量,因而降低电极的表面温度,减少Cu的损失。通过质量损失测试实验,发现Cu-Ti3Si C2阴极质量损失速率与Ti3Si C2含量呈线性关系,随Ti3Si C2含量的增加而增大。研究了Cu-Ti3Si C2复合材料的摩擦磨损行为。适当增加材料中的Ti3Si C2含量,可有效提高Cu基复合材料的综合性能并改善其摩擦、磨损行为;复合材料的纯度是影响Cu-Ti3Si C2复合材料摩擦、磨损特性的关键因素;通电条件下的摩擦系数和磨损量均比在不通电条件下的摩擦系数和磨损量要高。同样,在加热条件下的摩擦系数和磨损量都比在不加热条件下的摩擦系数和磨损量要高。不带电的情况下,磨损面上的磨痕较浅;而带电情况下磨损面上的磨痕较深,粘着磨损较为严重。随着Ti3Si C2含量的增加,粘着磨损减轻。