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1、碳纳米管增强铜基复合材料的 载流摩擦磨损性能研究姓名：孙玉良学号：14722001一、金属基复合材料概述二、课题确立的背景三、实验理论原理四、实验流程与步骤五、实验讨论与分析六、结论金属基复合材料起源于20世纪50年代末期或60年代初期。近年来发展非常迅速,早期研究重点主要为连续纤维增强物,但因连续纤维的成本高,制备工艺难度大,从而限制了它的研究与发展。非连续纤维增强金属基复合材料成本低,制备工艺简单等特点,逐渐成为国内外金属基复合材料领域的研究重点。金属基复合材料：以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。金属基复合材料的制备方法：粉末冶金法、搅拌铸造法、原
2、位生成法、挤压铸造法和喷射成形法等粉末冶金法：是指将基体金属合金与增强体粉末混合均匀后在模中冷压,除气后在真空中加热至固液两相区进行热压,最后烧结制得金属基复合材料的方法.优点：可以制备出增强相非常高体积分数的金属基复合材料,并且不受基体合金种类与增强体类型的限制,通过粉末混合工艺可以使增强相在金属基体中达到分布均匀。缺点：工艺设备复杂、成本偏高,不易制备形状复杂的零件,而且在生产过程中存在粉末燃烧和爆炸等危险,不易进行大规模工业化生产。1、课题确立的背景碳铜复合材料具有较高的导电、导热性以及耐蚀、耐磨性广泛应用于各工业部门各类电机仪表朝着轻质小型化和高速化发展对铜基复合材料的性
3、能提出更高的要求，如要求其具有较高机械强度的同时还应具有优良的导电性和耐磨性碳纳米管增强铜基复合材料的载流摩擦磨损性能研究2、实验原理碳纳米管因端面碳五环的存在，反应活性增强，极易被金属浸润。形成的金属基复合材料有高比强度和高比模量等优良性能。碳纳米管不仅容易导电还容易在摩擦磨损过程产生一层剪切薄膜，一方面降低摩擦系数，另外可修复摩擦表面。因此本文通过粉末冶金制备碳纳米管增强铜基复合材料，研究其在有无电流状态下的磨损性能，从而改善其使用性能。3、实验流程与步骤碳纳米管的研磨与酸洗碳纳米管与铜粉混合球磨碳纳米管铜基复合材料的制备碳纳米管铜基复合材料摩擦与磨损性能测试复合材料摩擦磨损
4、表面形貌的观察复合材料密度和硬度的测量1、碳纳米管的研磨与酸洗对直径小于8nm,长度为10～30μm,纯度大于95%的多壁碳纳米管进行研磨、酸洗,在H2SO4∶HNO3=3∶1的溶液里煮沸10h进行活化处理,改善碳纳米管在基体中的分散性.2、碳纳米管与铜粉的混合与球磨将处理后的碳纳米管与纯铜粉按一定比例(碳纳米管体积分数分别为0%、5%、10%、12%、15%)混合,放入行星球磨机中球磨5h,球磨时加入少量酒精以防止粉末氧化,球磨混合可适当改善碳纳米管与铜基体的润湿。3、碳纳米管铜基复合材料的制备采用初压→初烧→复压→复烧的方法制备碳纳米管铜基复合材料初压压力200MPa,复压压
5、力600MPa.4、碳纳米管密度和硬度的测量复合材料的相对密度由实际密度除以理论密度算得,采用称量法测量实际密度,理论密度通过式(1)计算.采用HBE-3000A型布氏硬度计测量复合材料的硬度.5、碳纳米管铜基复合材料摩擦与磨损性能测试采用河南科技大学自行研制的HST100型销盘式载流摩擦磨损试验机在通电(I=20A)和不通电条件下分别测试各成分复合材料的摩擦磨损性能.摩擦副为CuCr合金盘,载荷20N,线速度5m/s,测试结束后根据收集的力矩-载荷数据,通过下式(2)计算得出材料的摩擦系数(1)(2)根据BS201S型分析天平测得的磨损量,按式(3)计算磨损率ω,其物理意义为单
6、位摩擦距离的磨损量.6、复合材料摩擦磨损表面形貌的观察采用JSM-56102V型扫描电子显微分析复合材料的摩擦磨损表面形貌.式中:T为摩擦力矩;R为试样摩擦半径(80.5mm);P为施加在样品上的法向载荷.(3)式中:ΔW为磨损量;v为滑动线速度;t为摩擦磨损时间.4、实验结果与分析4.1复合材料的相对密度和硬度从上图可以看出，碳纳米管的体积分数小于12%时,随着碳纳米管含量的增加，相对密度略有增加,复合材料硬度明显增高;碳纳米管的体积分数大于12%时,复合材料的相对密度和硬度明显下降.出现上述变化趋势的原因是什么？碳纳米管填充在铜粉的孔隙中提高了复合材料的致密度,而且碳纳米管的
7、增强效果显著。但当碳纳米管含量增多时,易出现团聚现象,在复合材料中分布不均匀,导致复合材料的致密度下降,碳纳米管的增强效果受到影响.4.2复合材料的摩擦系数和磨损率第一：从左图可以看出，随着碳纳米管体积分数的增加，摩擦系数降低，而且有电流条件下摩擦系数比无电流条件下大.在磨损过程中,因摩擦脱落的碳纳米管黏附于摩擦副上,在表面形成具有润滑作用的碳膜，随着碳纳米管含量的增多,形成的碳膜更加均匀而完整,使对摩副间的剪切强度不断降低,故复合材料的摩擦系数随碳纳米管含量的增加而不断降低.因
