摩擦磨损及(暨南大学李卫教授：铜基复合材料的载流摩擦磨损研究进展)

Posted 2023-05-27

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摩擦磨损及(暨南大学李卫教授：铜基复合材料的载流摩擦磨损研究进展)

载流摩擦磨损是指摩擦副材料在有电流通过的服役工况下相对运动时产生的摩擦磨损行为。载流摩擦磨损广泛存在于铁路轨道交通、航空航天、电子电器、军事武器装备等领域，如高速电气化铁路的受电弓滑板和接触线、电磁轨道炮的电枢和导轨材料、高压开关的电触头等都是常见的载流摩擦副材料。由于电场的介入，载流摩擦过程是电摩擦系统和机械摩擦系统的耦合作用，是一种完全不同于传统机械磨损的特殊复杂工况。因此载流摩擦副材料应具有良好的导电导热性、优异的耐磨蚀性能、减摩耐磨性和润滑性等。

铜及其合金因具有良好的导电导热性能、耐电磨损性而被广泛地用于载流摩擦副的触头、接触线等材料。但随着高速电力机车等应用领域的快速发展，载流摩擦副的服役条件越来越苛刻，现有的铜及其合金已无法满足载流摩擦的服役要求。为此，国内外研究人员开展了大量关于组织复合化和结构复合化等方面的研究工作，以期突破工程技术领域的瓶颈，开发出更加优异的耐蚀、耐磨损和高强高导的新型铜基复合材料。

在阐述了载流摩擦的工况特点、接触特点、以及电弧特征的基础上，综述了国内外关于铜基复合材料载流摩擦磨损的研究现状，为后续设计与开发高品质长寿命以及高可靠性的载流摩擦副材料提供有价值的借鉴，为推动我国载流摩擦的理论发展贡献微薄的力量。

【概述】

相比于传统的机械摩擦磨损，载流摩擦副的服役工况更为复杂严苛，研究载流摩擦磨损问题时会涉及到电接触学、摩擦学、材料科学、物理、化学等多学科的复杂理论知识。载流摩擦副的接触表面是存在一定粗糙度的，粗糙表面接触的实际接触面积可看作是无数凸起峰的面积之和，摩擦的过程就是通过这些凸起峰之间的相互作用来实现的(见图1)。在导电的过程中，同样也是通过凸起峰之间的连接来传导电流，这些凸起峰也被称为导电斑点(见图2)，实际的接触面称为接触斑点。在载流摩擦过程中，少数的接触点承担了所有的接触压力和电流传导，导致接触点处会产生大量的摩擦热与接触电阻热，所以载流摩擦副的粗糙接触面会同时存在应力集中、电流密度集中、热量集中的现象，符合力-电-热耦合作用的负荷集中效应。由于应用工况的特殊性，载流摩擦磨损的影响因素不仅包含电系统中的电流密度，摩擦学系统中的摩擦速度等，大气温度、湿度、环境气氛也会影响其摩擦磨损性能。

图1粗糙表面接触示意图

图2导电斑点示意图

两接触面在发生相对运动时，接触斑点的数量和位置是随机变化的，导致电流密度在接触面上分布不均匀，接触点容易发生瞬时分离和接触，这个过程中就会引发电弧放电。电弧放电时会产生的大量电弧热会使摩擦表面产生瞬时高温，导致接触点的表面氧化和软化，发生剧烈的塑性变形，而且高温摩擦过程中氧化膜的力学性能不稳定容易发生剥落，增大了材料的磨损。载流摩擦过程中产生的高温热量和电流集中会使材料发生熔融，高热的熔融材料容易形成熔池，在高速高能量的冲击下会发生喷溅(如图3)，熔融和喷溅都会加速摩擦副材料的损伤，造成电弧侵蚀。为减少失接触造成的电弧侵蚀，通常要求材料在保持良好导电导热性能的同时，兼具高强高导、高耐磨、抗电蚀和抗高温软化等综合性能。

总之载流摩擦损伤行为复杂、服役条件苛刻，因此为了保证载流摩擦副的高质量、长寿命的服役条件，对摩擦副材料的综合性能要求会极为严苛。

(a) 熔融 (b)喷溅

图3纯铜材料的熔融和喷溅形貌

随着科技发展，近年来载流摩擦应用领域的工况日益复杂严苛，对摩擦副的安全稳定性要求也越来越高。载流摩擦磨损是一个多种作用耦合的复杂过程，多方面的影响因素掺杂也让试验具有一定的难度。因此，近年来研究者们也更注重试验与计算机模拟相结合的研究方式，综合分析温度场、磁场、载荷、速度等因素，并建立磨损预测模型。

为研究载流过程中接触面温度场引起的磨损，郭凤仪等利用有限元软件进行仿真建模，研究了铜-浸铜碳摩擦副的瞬态温升及分布规律，其计算得到的结论对研究载流摩擦副的温度特性具有重要意义。载荷也是载流摩擦工况中的一个重要因素，载荷增大会加剧接触面之间的塑性变形从而增大机械磨损，载荷过小又容易导致接触面之间的失稳从而发生电弧侵蚀。因此在载荷摩擦磨损工况中，载荷对材料的摩擦性能和损伤机制的影响是存在最优解的，优化出最佳载荷参数对摩擦副材料的研发设计具有重要的作用。康立乾等以法向载荷、载流和滑动速度为输入量，以滑板磨耗率、载流稳定系数为输出量建立了 BP 神经网络非线性模型(见图4)，进而利用遗传算法优化了相关参数，确定了滑板磨耗率最低、载流稳定系数最小的最佳法向载荷对应的非劣解。

通常在载流摩擦过程中电流、载荷和速度是会共同耦合作用的，邓朝勇等就着重考虑了载荷和速度的交互作用(pv因素)对Cf/PF-Cu 复合材料载流摩擦磨损性能的影响，得到载流摩擦磨损过程中不同pv值下的质量磨损率结果后利用矩阵转变拟合将磨损率情况分为轻微磨损、中等磨损和严重磨损3个区域(见图5)。陈忠华等结合Stribeck摩擦模型建立与速度、波动接触力和电流相关的弓网载流摩擦力模型，并使用麦夸特法与通用全局优化算法对该模型进行参数辨识，为弓网摩擦力的预测及摩擦磨损性能的研究提供了重要参考。

综上所述，试验与计算机模拟相结合的方法为载流摩擦磨损的研究提供了新的思路和方法。但由于试验设备的局限性，摩擦过程中的系统依赖性和不确定因素的影响都给载流摩擦磨损的研究发展提供了阻碍，至今未能提出通用的理论公式来解释载流摩擦磨损的性能和接触过程中的界面现象问题。

图4 BP神经网络结构图

图5不同PV值下的质量磨损图

【铜基复合材料的载流摩擦磨损研究】

现常用的载流摩擦副材料是铜基复合材料，其主要是以铜及其合金为基体，加入颗粒、纤维、纳米管等增强相制得的复合材料。铜基复合材料具有优异的导电、导热性、较好的耐磨、耐蚀性，广泛应用于高速铁路、集成电路、高压开关触头等领域。其最大的优点在于通过增强相的添加，既能保持铜基体优异的导电性和导热性，同时又能使材料的耐高温、耐电磨损性和润滑性等得到提高。

随着铜基复合材料应用的越来越广泛，对其摩擦性能要求越来越高，因此需要不断开发新型的耐磨铜基复合材料。研究不同成分类型、不同结构铜基复合材料的载流摩擦磨损性能对于开发优异的载流摩擦副材料具有重大意义。通常根据增强相的强化方式可将铜基复合材料分为颗粒增强铜基复合材料、自润滑增强铜基复合材料、纤维增强铜基复合材料等。

颗粒增强铜基复合材料是在铜合金基体中加入细小弥散分布的陶瓷颗粒(Al2O3、SiC、WC、TiB2等)增强相制成的复合材料，因此也被称为弥散强化铜基复合材料。高强高导耐热的陶瓷颗粒可使颗粒增强铜基复合材料在保留铜基体优良导电、导热性的同时，还具有优异的高温力学性能，可以满足载流摩擦过程中抗高温抗磨损的服役要求。作者团队张治国等人采用粉末冶金法制备了WC颗粒增强铜基复合材料，并研究了WC含量对复合材料载流摩擦磨损性能的影响，结果表明，载流条件一定时，复合材料的体积磨损率随着 WC 质量分数增加而逐渐减小，说明加入WC增强颗粒可以有效提高材料的耐磨性。

随着载流摩擦服役工况的日益严苛，多元多尺度颗粒增强相的铜基复合材料逐渐得到研究者的重视。冯江等采用真空热压烧结-内氧化一体化的制备方法制得Al2O3/Cu-WC 复合材料，结果表明，WC颗粒的剥落和重新结晶的Al2O3 颗粒会加剧材料的磨粒磨损，说明多元增强相的合理配比还有待研究。张胜利等采用粉末冶金工艺制备了单一粒径TiB2颗粒和多粒径(2 μｍ＋50 μｍ) TiB2颗粒增强铜基复合材料，并对比研究了其载流条件下的摩擦磨损行为，结果表明，多粒径TiB2颗粒合理配比可以显著提高复合材料的载流摩擦磨损性能。

目前国内对于颗粒增强铜基复合材料的研究更着重于其力学性能，在载流摩擦应用领域的产量化、市场推广应用、参数优化等方面还需要不断突破。

自润滑铜基复合材料是在铜基体加入固体润滑剂制成的复合材料，其兼具铜基体的良好力学性能和固体润滑剂的优异摩擦学性能，可作为理想的载流摩擦副材料。固体润滑剂的应用温度范围广、化学性质稳定，常见的固体润滑剂有石墨、硫化物、软金属等。张军伟等采用粉末冶金法制得梯度石墨/铜复合材料和非梯度石墨/铜复合材料，并对比研究了其载流摩擦磨损性能，发现相比于非梯度石墨成分，梯度石墨/铜复合材料的摩擦系数稳定性明显提高。

但通常单一的固体润滑剂使用范围有限，多个润滑剂共同作用、自润滑涂层与颗粒增强相结合制得的铜基复合材料具有更优异的耐磨性能和更广泛的应用范围。简学全等采用热压烧结法制备Al2O3弥散铜-MoS2复合材料，并研究了其载流摩擦磨损性能，结果表明，随着 MoS2含量的加入，复合材料的耐磨性有显著提升。

所以研究自润滑铜基复合材料应该重视与其他增强相的结合，不断地开发应用新型自润滑铜基复合材料对于克服载流摩擦服役方面的困难具有重大的研究意义。

碳纤维增强铜基复合材料是一种便于加工且生产成本较低的新型复合材料，该材料成功地将铜和碳纤维的优良性能结合在一起，具有高导电导热、抗电弧侵蚀性等优点，可适用于载流摩擦磨损的服役工况。杨浩等采用粉末冶金法制备了不同体积含量的短碳纤维增强铜基复合材料，并研究了其载流摩擦磨损特性，结果表明，在相同载流条件下，随着碳纤维含量的增加，复合材料的摩擦因数呈现先减小再增大的趋势；且经过镀铜处理的短碳纤维增强复合材料的摩擦因数要低于未经过镀铜处理的复合材料。WANG P等采用化学气相沉积法和浸渍/碳化法制备了两种碳纤维增强铜/碳复合材料，并考察了复合材料的载流摩擦学性能，结果表明，随机分布的短切碳纤维不易划伤摩擦副磨损表面，有利于复合材料形成光滑的摩擦层，同时碳纤维在载流摩擦试验过程中会承受失效能量，阻碍裂纹扩展，从而提高材料的机械强度和耐磨性。

目前对于碳纤维增强铜基复合材料的研究已经取得一些成果，目前普遍利用化学镀、电镀等方法来改善铜/碳间的润湿性问题。铜基复合材料中碳纤维的含量及与其他增强相的合理配比仍然值得深入探索，研究碳纤维/铜基复合材料的摩擦性能对于开发新型的载流摩擦副材料具有重要意义。

【总结与展望】

载流摩擦的服役工况特殊复杂，但其应用领域广泛存在于人们的日常生活中，开发优异的载流摩擦副材料对人们的生活便利、出行安全都有着重要的意义。未来对铜基复合材料载流摩擦磨损的研究，可主要从以下几个方面开展。

（1）铜基复合材料的成分可塑性高，目前多元多尺度增强相、多元润滑相的铜基复合材料已经被开发研究，后期还可以不断地对其进行成分结构优化以适用于载流摩擦工况；

（2）铜基复合材料的载流摩擦机理及其摩擦过程的动态化研究还需要更加深入探索，关于电弧对其载流摩擦的影响认识还不够充分，这方面也将是未来工作开展的重要内容；

（3）当前对铜基复合材料载流摩擦磨损的研究应该着重于实验与计算机的结合，需要不断优化制样工艺、成分参数，使其在各种不同的载流条件下都能保留优异的耐磨性能。

【文献引用】

舒鑫,刘洋赈,李卫.铜基复合材料的载流摩擦磨损研究进展[J].特种铸造及有色合金,2022,42(4):419-424.

SHU X,LIU YZ,Ll W.Research progress on current-carrying friction and wear of copper matrix compoites[J].Special Casting &.Nonferrous Alloys，2022，42(4):419-424.