銀基復合材料真空電接觸特性

周元子，李利，朱林林，張可墨，張強

(1.北京控制工程研究所，北京，100094；2.精密轉動和傳動機構長壽命技術北京市重點實驗室，北京，100094)

長壽命三軸穩(wěn)定衛(wèi)星多采用帆板式太陽電池陣進行能源供應，并使用太陽電池陣驅動裝置(solar array drive assembly,SADA)使電池陣對日定向，以獲得高的電能轉換效率。該類驅動裝置中的功率滑環(huán)將連續(xù)旋轉的太陽電池陣的電功率傳輸至星內，是影響整星能源安全、壽命和可靠性的重要機構[1-2]。衛(wèi)星太陽電池陣功率滑環(huán)的性能指標主要體現(xiàn)在磨損率、摩擦因數(shù)、接觸電阻、電噪聲以及儲存穩(wěn)定性等方面，其中電刷-滑環(huán)對偶材料的磨損率和電接觸噪聲是判定功率滑環(huán)壽命和工作可靠性的關鍵性能指標[3-5]。銀基固體自潤滑材料和金合金材料是最重要的衛(wèi)星導電環(huán)用電刷材料，與金合金材料相比，銀基固體自潤滑具有摩擦因數(shù)低、接觸穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點，但也存在磨損率高、電噪聲高等問題[5-8]。Ag-MoS2體系是應用最廣的衛(wèi)星導電環(huán)用銀基自潤滑材料體系，材料的摩擦因數(shù)通常在0.1～0.3 之間，磨損量在10-14～10-13m3/(N·m)之間[9-11]。材料的磨損率隨固體潤滑劑的增加而降低，但電噪聲隨固體潤滑劑的增加而升高[7]，固體潤滑劑(MoS2)的質量分數(shù)為6%～12%時，材料可以獲得較好的滑動電接觸性能[10-11]。Cu 的加入可以提高材料基體的力學性能，降低磨損量，材料中Cu 的添加量(質量分數(shù))為2%～8%[11-12]。銀基固體自潤滑材料的載流摩擦性能受其使用環(huán)境的影響顯著，電流密度的提高和環(huán)境溫度的提升都會導致電刷的磨損率和電噪聲升高[13-14]。材料的磨損量和電噪聲在對偶件形成穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)之前一般較高，且存在一定的擾動，當穩(wěn)定的摩擦偶形成后，材料的磨損量和電噪聲明顯降低并穩(wěn)定在一定的區(qū)間內[15]。

為了研究衛(wèi)星太陽電池陣功率滑環(huán)的載流摩擦學性能，為粉末冶金復合材料的穩(wěn)定空間應用提供基礎測試數(shù)據(jù)，推動其可靠空間應用，本文作者在真空環(huán)境下進行復合材料電刷對偶銀銅合金滑環(huán)的跑合試驗，通過實測真空磨損量考察不同行程下的磨損率，并對磨損率隨工作行程的變化規(guī)律以及磨損機理進行分析，在此基礎上，在真空、高低溫環(huán)境下進行傳輸模擬太陽電池陣功率試驗，對溫度、工作行程對電接觸性能的影響進行分析。

1 試驗方案

1.1 功率滑環(huán)介紹

太陽電池陣功率滑環(huán)常設計為盤式結構以實現(xiàn)較小的軸向尺寸，如圖1和圖2所示。環(huán)體采用銀銅合金材料，以環(huán)狀排布在絕緣材料上，各環(huán)間通過絕緣介質隔離，每環(huán)在周向上布置多個電刷。電刷結構主體為片狀彈性合金，通過其彈性實現(xiàn)與對應環(huán)片的可靠接觸，電刷末端與環(huán)片接觸部分為塊狀Ag-Cu-MoS2粉末冶金材料，通過電刷與環(huán)片的滑動接觸，實現(xiàn)電功率從旋轉太陽電池陣到星內的傳輸。

試驗電刷與環(huán)片的材料特性見表1。

1.2 真空磨損率試驗方法及磨損面形貌表征

在優(yōu)于1 mPa真空環(huán)境下，按轉速0.5 r/min進行電刷對偶環(huán)片的跑合。為盡可能多地獲得不同工作行程的電刷磨損率數(shù)據(jù)，設置了6組電刷，每組安裝的6個電刷與不同半徑的環(huán)片對偶跑合。由于試驗中只進行單方向跑合，因此，電刷經歷的摩擦磨損歷程有2種狀態(tài)。如圖3所示，滑動速度和電刷折彎角度同向的為順向跑合電刷，反向的為逆向跑合電刷，則圖2中的第1，3和5組電刷為逆向跑合電刷，第2，4 和6 組電刷為順向跑合電刷。

圖2 Ag-Cu-MoS2電刷的排布方式Fig.2 Arrangement of Ag-Cu-MoS2 brushes.

表1 試驗電刷及環(huán)片材料特性Table 1 Material properties of brushes and rings

在跑合1萬轉、2萬轉、10萬轉后分別拆卸第1～2 組、第3～4 組、第5～6 組電刷，采用分辨率0.1 mg的電子天平對跑合前后的電刷稱質量，可獲得18 個跑合行程點上順向、逆向電刷的磨損率數(shù)據(jù)。磨損率計算方法為

圖3 單方向跑合中的順向電刷和逆向電刷Fig.3 Brushes in forward and backward directions

式中：Δm為電刷磨損量；L為跑合行程，由r(環(huán)片半徑)和n(跑合轉數(shù))計算獲得；F為電刷與環(huán)片的接觸壓力；ρ為電刷材料密度。

為研究Ag-Cu-MoS2電刷材料真空跑合過程中的磨損機制，采用FEI 公司的Nova NanoSEM 230型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(field scanning electron microscope,SEM)對磨損后的電刷進行顯微觀察，并采用其附帶的能譜儀(EDS)對磨損面的特征區(qū)域元素進行測定。

1.3 電噪聲試驗方法

為模擬太陽電池陣功率滑環(huán)的真實在軌工作環(huán)境，在優(yōu)于1 mPa 真空環(huán)境下開展高溫+75oC、低溫-40oC的交變循環(huán)試驗。功率滑環(huán)真空高低溫交變電摩擦試驗示意圖如圖4所示。在功率滑環(huán)的12 個環(huán)路上加載等效太陽電池陣額定功率的高壓恒流。試驗共進行了22 000 轉，超過目前GEO，IGSO 和MEO 等中高軌道衛(wèi)星在軌全壽命轉動圈數(shù)。在8 000 轉、16 000 轉、22 000 轉時分別進行功率滑環(huán)摩擦電接觸性能的測試。在測試過程中，滑環(huán)按在軌最大工作轉速(0.04 r/min)運轉，重點采集環(huán)刷接觸電噪聲，該值為滑環(huán)連續(xù)轉動過程中的電壓波動量，可直觀反映電刷和環(huán)片之間的滑動電接觸性能的可靠性。為避免整周連續(xù)轉動過程中電纜纏繞問題，將兩環(huán)串聯(lián)起來構成1個測量通路，利用多通道記錄儀完成6個測量通道的電噪聲信號采集。

圖4 功率滑環(huán)真空高低溫交變電摩擦試驗示意圖Fig.4 Electrical contact noise test of power slip-ring under vacuum and high&low temperature alternating

2 真空滑動磨損狀態(tài)分析

完成真空環(huán)境10 萬轉跑合試驗后，在電子顯微鏡觀察材料磨損形貌，如圖5所示，并測量磨損表面的面積，如圖6所示。通過研究發(fā)現(xiàn)，電刷的磨損面呈現(xiàn)為橢圓形或矩形，在同一跑合轉數(shù)下，外環(huán)電刷磨損面積明顯大于內環(huán)電刷的磨損面積。隨著跑合行程增大，電刷磨損面積不斷增大。在真空跑合的初期階段，磨損面積增長較快，跑合至10 km時的順向、逆向電刷磨損面積較試驗開始時分別增加了65%和67%；跑合行程超過10 km后，磨損面積的增幅變緩；跑合至56 km 時，順向、逆向電刷的磨損面積較10 km 時分別增大了33%和44%；另外，相同跑合行程下逆向跑合電刷的磨損面積均高于正向跑合電刷的情況，且跑合行程越長這一現(xiàn)象越明顯，跑合行程在40～56 km范圍內逆向電刷的磨損面積是正向電刷的1.2 倍，這說明跑合方向會嚴重影響電刷材料磨損行為。

圖5 真空跑合的電刷磨損形貌Fig.5 Wear morphology of brushes

圖6 真空跑合電刷的磨損面積Fig.6 Wear aera of brushes

跑合方向對電刷材料磨損行為影響與順向電刷和逆向電刷的受力狀態(tài)相關。圖7所示為跑合過程中順向電刷和逆向電刷受力分析示意圖，順向電刷和逆向電刷由于摩擦力的方向不同，2組電刷的受力狀態(tài)顯著不同。電刷在跑合過程中主要受到2個力的作用：通過彈片加載電刷上的載荷，電刷會受到對偶環(huán)體給出的大小一致、方向相反的作用力FL，另一個是與環(huán)體轉動方向相同的摩擦力Ff；FL和Ff共同作用于電刷形成合力F。順向電刷中FL與Ff夾角為α(90°<α<180°)，從圖7可見：順向電刷所受到的合力FFL；由于彈片給電刷加載的力相同，即FL為一固定值，因此，在摩擦過程順向電刷中所受的合力小于逆向電刷。順向電刷實際受到的力小于逆向電刷受到的力，導致順向電刷的磨損率要小于逆向電刷的磨損率。

圖7 單方向跑合中的順向電刷和逆向電刷受力分析Fig.7 Stress analysis of brushes in forward and backward directions

在摩擦磨損過程中，金屬基自潤滑材料的中的潤滑相會不斷向磨損表面富集，形成潤滑膜，從而降低材料的摩擦因數(shù)和磨損率，因此，金屬基自潤滑材料的摩擦磨損行為會受到跑合里程的影響[12]。圖8所示為Ag-Cu-MoS2電刷材料磨損率與跑合行程的關系。從圖8可見：在小于10 km的初期跑合階段，磨損率變化劇烈，順向電刷的磨損率分布在(1.1～2.3)×10-14m3/(N·m)范圍內；逆向電刷的磨損率分布在(0.9～3.2)×10-14m3/(N·m)范圍內。而在10～56 km 的長期跑合階段，磨損率保持在較低的水平且基本穩(wěn)定，順向電刷的磨損率分布在(0.5～1.0)×10-14m3/(N·m)范圍內，逆向電刷的磨損率分布在(1.0～2.1)×10-14m3/(N·m)范圍內，且相同跑合行程下逆向電刷的磨損率都是順向電刷的2 倍左右。因此，采用復合材料電刷的太陽電池陣功率滑環(huán)在發(fā)射前可先進行10 km預跑合，使環(huán)刷對偶副進入穩(wěn)定磨合階段，以保證入軌工作后具有較好的摩擦磨損性能。

圖8 真空跑合磨損率Fig.8 Wear rate of brushes

Ag-Cu-MoS2電刷的磨損表面形貌如圖9所示。從圖9可見：電刷磨損表面沿滑動摩擦方向形成了大量深度淺且均勻的犁溝，大量黑色小塊均勻分布于電刷的磨損表面。對圖中黑色小塊區(qū)域進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)黑色小塊區(qū)域含有大量的Mo元素和S 元素，這說明在Ag-Cu-MoS2電刷經真空跑合后，電刷材料內部的MoS2不斷在電刷表面黏著富集，在電刷表面形成了穩(wěn)定MoS2潤滑膜；磨損率隨著行程的增加不斷降低且最后趨于穩(wěn)定也和MoS2潤滑膜的形成有關；當滑動行程較短時(0～5 km)，Ag-Cu-MoS2電刷材料中的MoS2未能有效釋放，潤滑缺少，也造成該階段材料的磨損較為嚴重；隨著行程增加(5～30 km)，MoS2不斷從Ag-Cu-MoS2電刷材料中釋放出來，并轉移至銀銅合金環(huán)的表面形成潤滑膜，起到潤滑效果，磨損率隨著行程的增加不斷降低；隨著行程繼續(xù)增加(30～60 km)，MoS2潤滑膜的增長與消耗達到基本平衡的穩(wěn)定摩擦階段，環(huán)表面的潤滑膜逐漸發(fā)展成均勻鋪展狀態(tài)，潤滑效果充分，材料的磨損率也就達到一個低且穩(wěn)定的水平，同時，磨損面能譜中并未檢測到氧元素。這是由于實驗在真空下進行，材料不易發(fā)生氧化，材料并未發(fā)生氧化磨損。通過Ag-Cu-MoS2電刷表面的微觀形貌和能譜分析可以得出犁削磨損及磨粒磨損成為電刷-環(huán)片穩(wěn)定磨合階段的主導磨損機制[16-17]。

圖9 真空跑合后的電刷工作面顯微分析Fig.9 Microscopic analysis of brush working face after vacuum running

3 真空電接觸性能分析

圖10所示為高溫環(huán)境、低溫環(huán)境下不同跑合行程的電接觸噪聲測試值。在真空高低溫交變環(huán)境下，基于復合材料電刷和銀銅合金環(huán)片對偶副的太陽電池陣功率滑環(huán)在試驗全程內的電噪聲處于較低水平，在軌最大工作轉速下的電噪聲始終低于1.5 mV/A。

滑環(huán)的真空電噪聲和跑合行程間呈近似線性增大的關系，跑合2 km 時，高溫、低溫電噪聲分別為0.49 mV/A和0.33 mV/A；跑合至6 km時，分別增大至0.82 mV/A 和0.67 mV/A；跑合至12 km時，分別增大至1.28 mV/A 和1.04 mV/A。隨著跑合行程不斷增大，電刷與滑環(huán)逐漸磨損，形成了較大的穩(wěn)定接觸面積。這導致電刷磨屑排出摩擦界面的距離和時間也隨之增加，磨屑黏附在滑環(huán)或者電刷表面，使得接觸表面變得更為粗糙，電接觸噪聲逐步增大。另外，在相同的跑合行程下，+75oC高溫環(huán)境下的電噪聲較-40oC低溫環(huán)境下的約高20%。

真空高低溫環(huán)境下電接觸性能測試結果表明，在軌最大工作轉速下的Ag-Cu-MoS2電刷和銀銅合金環(huán)對偶副電噪聲滿足小于5 mV/A的性能指標要求，電刷載流工作壽命大于12 km，能夠滿足目前GEO，IGSO 和MEO 等中高軌道衛(wèi)星在軌全壽命轉動圈數(shù)應用需求。

4 結論

1)Ag-Cu-MoS2電刷及銀銅合金環(huán)體材料電刷材料的真空磨損率穩(wěn)定在10-14m3/(N·m)量級，且滑動方向對Ag-Cu-MoS2電刷真空滑動點磨損性能有顯著影響。

2)真空高低溫交變環(huán)境的環(huán)刷材料滑動電接觸性能測試結果顯示，Ag-Cu-MoS2電刷全壽命階段在軌最大工作轉速下的電噪聲均小于1.5 mV/A，可以滿足目前中高軌道長壽命衛(wèi)星的使用需求。