納米石墨微片含量對(duì)納米石墨微片/碳納米管/銀復(fù)合材料電摩擦磨損性能的影響

王 娟

（安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

納米石墨微片含量對(duì)納米石墨微片/碳納米管/銀復(fù)合材料電摩擦磨損性能的影響

王 娟

（安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

采用不同含量的納米石墨微片制備納米石墨微片-碳納米管-銀復(fù)合材料，研究納米石墨微片含量對(duì)復(fù)合材料電摩擦磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料隨磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦系數(shù)均不斷減小，最終趨于穩(wěn)定隨著納米石墨微片含量的增加。隨著復(fù)合材料中納米石墨微片含量的增加，摩擦系數(shù)和磨損量均有下降趨勢(shì)，接觸電壓降則相反。載流條件下，電摩擦系數(shù)大于機(jī)械摩擦系數(shù)且電磨損量也大于機(jī)械磨損量。

納米石墨微片含量；摩擦系數(shù)；磨損量；接觸電壓降

碳納米管(CNT)和納米石墨微片（Graphene）自1991年和2004年被人們發(fā)現(xiàn)的那天起就一直備受矚目。碳納米管是一種長(zhǎng)徑比極大的有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，它的徑向尺寸可達(dá)到納米級(jí)，軸向尺寸為微米級(jí)，具有很大的比強(qiáng)度。納米石墨微片是一種特殊的二維碳材料，平面由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格，厚度方向只有一個(gè)碳原子。一維碳納米管、二維納米石墨微片是碳納米材料家族的骨干，在一定條件下可以在形式上發(fā)生轉(zhuǎn)化[1]。

作為優(yōu)良的一維和二維碳材料，碳納米管和納米石墨微片分別在力學(xué)性能、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等方面體現(xiàn)出了一維的和二維的各向異性。將納米石墨微片和碳納米管共同用于復(fù)合材料將有利于結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)[2,3]，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩者之間的協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的各向同性導(dǎo)熱性[4]、各向同性導(dǎo)電性[5]、三維空間微孔網(wǎng)絡(luò)[6～8]等特性表現(xiàn)出比任意一種單一材料更加優(yōu)異的性能。納米石墨微片/碳納米管復(fù)合材料越來(lái)越多的被人們所應(yīng)用，也使得納米石墨微片/碳納米管復(fù)合材料的制備和應(yīng)用得到更加廣泛的關(guān)注。本文采用粉末冶金法制備納米石墨微片/碳納米管/銀復(fù)合材料，研究納米石墨微片含量對(duì)納米石墨微片/碳納米管/銀復(fù)合材料電摩擦磨損性能的影響，期望對(duì)其廣闊的發(fā)展前景進(jìn)行論證。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用銀粉粒度320目，純度≥98wt%；納米石墨微片厚度4～20nm，直徑5～10μm，純度≥99.5%（形貌如圖1所示）；碳納米管直徑10～30nm，長(zhǎng)度5～30μm，純度≥95%。采用粉末冶金法制備 4種納米石墨微片含量不同的納米石墨微片-碳納米管-銀復(fù)合材料，具體成分如表1所示。

圖1　納米石墨微片掃描圖

表1　樣品成分表

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB12175-90在自制銅質(zhì)對(duì)磨環(huán)上進(jìn)行。分別采用背散射、SEM和XPS觀察分析試樣磨損前后的顯微組織和物相。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖2 復(fù)合材料的顯微組織

圖2是復(fù)合材料樣品3的背散射電子圖像，從圖中可以看出，碳納米管和納米石墨微片均勻分布著銀基體上，沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，保證了金屬基體的連續(xù)性。

2.1復(fù)合材料的摩擦系數(shù)

圖3 機(jī)械摩擦系數(shù)與磨損時(shí)間關(guān)系曲線

圖3是4個(gè)樣品的摩擦系數(shù)與磨損時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，4個(gè)樣品的摩擦曲線圖趨勢(shì)相同：磨損初期，摩擦系數(shù)較大，而后期摩擦系數(shù)趨于恒定。

這是因?yàn)闃悠分械你y含量較多，最初的樣品與對(duì)磨環(huán)的摩擦接觸中，主要是銀與銅接觸面積較多，而具有自潤(rùn)滑作用的碳納米管和納米石墨微片，與對(duì)磨環(huán)接觸面積小，此時(shí)摩擦以“金屬-金屬”間的摩擦為主要形式，摩擦系數(shù)較大。

隨著摩擦磨損的持續(xù)進(jìn)行，碳納米管、納米石墨微片具有特殊結(jié)構(gòu)，層與層之間的化學(xué)鍵結(jié)合較弱，較易斷裂，因此它們?cè)谀Σ聊p過(guò)程中將逐漸“涂抹”在對(duì)磨環(huán)上，形成一層具有潤(rùn)滑作用的膜，摩擦形式不再是“金屬-金屬”為主，取而代之的是“金屬-潤(rùn)滑膜-金屬”，這也解釋了隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦系數(shù)將逐漸下降并趨于一定值。

對(duì)比圖 3中四個(gè)樣品的摩擦系數(shù)可以看出，隨著樣品中納米石墨微片含量的增加，摩擦系數(shù)在不斷減小。這是因?yàn)榧{米石墨微片具有天然石墨的晶體結(jié)構(gòu)——具有杰出的潤(rùn)滑作用，更易形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，且潤(rùn)滑膜中的碳含量更高，因此摩擦系數(shù)更低。

圖4　10A/cm2,10m/s條件下，摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間變化曲線

圖4是4個(gè)樣品在載流條件下（I=10A/cm2）的摩擦系數(shù)，圖中顯示了與圖 3類(lèi)似的規(guī)律，且對(duì)比兩圖可發(fā)現(xiàn)，載流條件下的摩擦系數(shù)更大。這是由于材料表面粗糙度的存在，試樣與對(duì)磨環(huán)之間的真實(shí)接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試樣的真實(shí)面積。當(dāng)電流通過(guò)接觸表面時(shí)，產(chǎn)生接觸電阻，導(dǎo)致接觸處溫度升高，材料中的自潤(rùn)滑成分會(huì)產(chǎn)生氧化，潤(rùn)滑膜難以形成，“金屬-金屬”型潤(rùn)滑占主要地位，導(dǎo)致復(fù)合材料摩擦系數(shù)增加。

2.2復(fù)合材料的磨損量

圖5　機(jī)械磨損量隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖6　磨損初期的粘著現(xiàn)象

圖7　磨損后期完整潤(rùn)滑膜的掃描圖

圖5顯示了機(jī)械摩擦?xí)r的磨損量隨時(shí)間變化關(guān)系，對(duì)比4個(gè)樣品可以看出，隨著樣品中納米石墨微片含量的增加，樣品的磨損量逐漸減小。前面提到，整個(gè)摩擦磨損過(guò)程伴隨著潤(rùn)滑膜的形成，磨損形式由“金屬-金屬”型為主的粘著磨損過(guò)渡為“金屬-潤(rùn)滑膜-金屬”型。磨損前期以粘著磨損為主，樣品表面明顯的粘著撕裂現(xiàn)象，有輕微犁溝（如圖6所示）。在摩擦過(guò)程中，大量彌散分布的納米石墨微片可以起到增強(qiáng)基體，釘扎位錯(cuò)的作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高位錯(cuò)滑移所需要的切應(yīng)力。同時(shí)納米石墨微片是形成潤(rùn)滑膜的主要成分，經(jīng)歷了初期的粘著磨損后，潤(rùn)滑膜逐漸形成，磨損表面隨之變得平整光滑（如圖7所示）。而樣品中納米石墨微片含量較小時(shí)，粘著現(xiàn)象較為嚴(yán)重，難以形成完整的潤(rùn)滑膜，因此磨損量較大。

圖8　10A/cm2,10m/s條件下，磨損量與磨損時(shí)間關(guān)系曲線

載流條件下，摩擦過(guò)程中由于摩擦和電流的共同作用，摩擦副產(chǎn)生大量的熱，摩擦副接觸表面局部溫度急劇升高，材料塑性變形加大，破壞摩擦副之間的潤(rùn)滑膜，出現(xiàn)粘著磨損，并伴有局部大量的粘著坑和粘著塊，都證明了電磨損過(guò)程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的粘著磨損，從而解釋了同一成分試樣其電磨損量大于機(jī)械磨損量（如圖8所示）。

2.3接觸電壓降(10A/cm2, 10m/s)

接觸電壓降是電接觸材料的主要?jiǎng)討B(tài)特性之一， 同滑動(dòng)接觸的多種因素相關(guān)，在磨損開(kāi)始階段，磨損量較小，潤(rùn)滑膜覆蓋范圍很小，潤(rùn)滑膜產(chǎn)生的電阻小，此時(shí)的接觸電壓降較小。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的磨損后，材料中的納米石墨微片和碳納米管吸附在接觸面上，潤(rùn)滑膜的覆蓋面積增大，電壓降有所增加。當(dāng)潤(rùn)滑膜增厚至一定厚度時(shí)，由于碳納米管的研磨作用，阻止?jié)櫥さ倪M(jìn) 一步增厚，使?jié)櫥ぬ幱趧?dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，因此電刷的電壓降趨于穩(wěn)定。材料中的納米石墨微片含量越高形成的潤(rùn)滑膜越厚，接觸電壓降越大（如圖9所示）。

圖9　10A/cm2,10m/s條件下的接觸電壓降與磨損時(shí)間關(guān)系

3 結(jié)論

（1）機(jī)械摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)前期較大，隨后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。電磨損時(shí)，同樣樣品之間比較發(fā)現(xiàn)，電摩擦系數(shù)大于機(jī)械摩擦系數(shù)。且隨著納米石墨微片含量的增加，復(fù)合材料樣品的摩擦系數(shù)有減小趨勢(shì)。

（2）隨著樣品中納米石墨微片含量的增加，磨損量不斷降低，且由于電磨損過(guò)程中潤(rùn)滑膜容易受到破壞，“金屬-潤(rùn)滑膜-金屬”型摩擦占次要地位，“金屬-金屬”間的粘著磨損占主體地位，相同成分的樣品其電磨損量大于機(jī)械磨損量。

（3）由于隨著樣品中納米石墨微片含量的增多，更容易在樣品與對(duì)磨環(huán)之間形成潤(rùn)滑膜，因此在電摩擦磨損過(guò)程中，接觸電壓降較大。

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Effect of graphite nanosheets content on graphite nanosheets / nanotube / silver composite electrical friction and wear properties

Using different amounts of graphite nanosheets prepared graphite nanosheets - carbon nanotubes - silver composites, graphite nanosheets research content of the composite material for an electrical influence on friction and wear properties. It was found that the composite material with the extension of time of wear, friction coefficient decreasing and eventually stabilized with the increasing content of graphite nanosheets. With the increase of the composite graphite nanosheets content, the friction coefficient and the wear volume has decreased, contact voltage drop and vice versa. Under conditions of the carrier, electric friction coefficient greater than the mechanical wear of the friction coefficient and electrically also greater than the mechanical wear.

Graphite nanosheets content; friction coefficient; the amount of wear; contact voltage drop

TQ16

A

1008-1151(2015)11-0052-03

2015-10-10

安徽高校省級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2013B040）。

王娟（1985－），女，安徽淮南人，安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，博士。