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铜-石墨-MoS2是一种典型的滑动电接触材料,但铜-石墨-MoS2存在如下问题:MoS2的电阻率高,导电性能差;而石墨虽然导电性能好,但在真空环境中摩擦磨损严重。NbSe2具有和MoS2类似的晶体结构和摩擦学特性,而电阻率仅为10-4Ω·cm,比MoS2低六个数量级,比石墨低一个数量级。并且NbSe2在真空、低温等特殊状态下也有应用,例如用片状NbSe2-Ag制备的复合材料在航天飞机的导电滑环上已有成功的应用。同时利用NbSe2纳米纤维的各向异性的特点,可以在提高铜-石墨复合材料导电性的同时,改善其换向能力。因而铜-石墨-NbSe2复合材料有望成为一种新的高性能的复合材料。
本课题研究了铜-石墨-NbSe2固体自润滑材料的性能,采用粉末冶金法将制备的不同质量百分比含量的纤维状或片层状的纳米NbSe2材料与铜粉、石墨粉混合均匀,冷压制成小圆盘。采用复压复烧的方法来提高材料的致密性,采用光学显微镜,SEM(JSM-7001F扫描电子显微镜)等手段表征表面形貌。并在超低温摩擦磨损机和UMT-2摩擦试验仪上测试其摩擦性能。实验结果表明:
(1)采用固相反应法,将硒粉和铌粉按化学计量比3:1在玛瑙研钵中混合15min,然后放入反应釜盛装的封管的石英管中或直接放入真空、密封的反应釜中在不同的烧结温度下保温1h制备出纤维或片层状的NbSe2,制备的NbSe2都具有良好的结晶性和纯度。
(2)采用复压复烧的方法制备出铜-石墨-NbSe2复合材料,XRD分析表明,复合材料中生成新的物相Cu1.33Nb2Se4。
(3)在铜-石墨-NbSe2复合材料中,随着NbSe2质量百分比的升高,材料的密度和电阻率逐渐升高,但两者又有所不同,材料的电阻率是从NbSe2质量百分比为1%是开始上升,且远低于复合材料中不含NbSe2时,几乎只有为0时的一半,而密度的升高是从不含NbSe2时开始。
(4)常温常压下,铜-石墨-纤维状NbSe2复合材料比铜-石墨-片层状NbSe2摩擦学性能要好;在高载荷下,铜-石墨-纤维状NbSe2复合材料甚至优于铜-石墨复合材料,在真空状态下,无论铜-石墨-纤维状NbSe2还是铜-石墨-片层状NbSe2复合材料的摩擦系数远低于铜-石墨复合材料(M为0.257),并且两者在NbSe2质量百分比含量6%时达到最小,分别是铜-石墨-6wt%纤维状NbSe2为0.189,铜-石墨-6wt%片层状NbSe2为0.205。
(5)对比6wt%片层状纳米NbSe2-铜-石墨(B3)、6wt%纤维状纳米6wt%NbSe2-铜-石墨(A3)、6wt%MoS2-铜-石墨(N)、铜-石墨(M)在真空下的载荷-摩擦系数曲线,可以看出M曲线波动很大,N曲线有所波动,而A3和B3的曲线波动较小。