銅石墨復合材料集銅的高導電、導熱性能與石墨優(yōu)良的潤滑性能于一體,是一種擁有優(yōu)異性能的自潤滑材料,被廣泛應(yīng)用電氣、輕工、機械制造等多個領(lǐng)域。但由于銅與石墨的界面結(jié)合僅為物理的機械結(jié)合,使得銅石墨復合材料的性能受到了很大的限制。本論文旨在通過加入乳化瀝青來改善銅石墨復合材料的界面結(jié)合,研究乳化瀝青的加入對銅石墨復合材料的密度、電阻率、硬度及摩擦磨損性能的影響,并通過第一性原理模擬計算來分析乳化瀝青的加入對銅和石墨界面結(jié)合狀態(tài)的影響,最終為制備符合實際應(yīng)用的銅石墨自潤滑復合材料提供理論指導,也將對銅石墨受電弓滑板的發(fā)展具有重要的科學意義和工程應(yīng)用意義。本論文采用粉末冶金方法制備出不同石墨含量的銅石墨復合材料,研究乳化瀝青的加入對銅石墨復合材料性能的影響,并采用X-Ray衍射(XRD),SEM等現(xiàn)代分析手段來表征所制備的復合材料的物相與顯微組織。通過對物理、力學性能的測試,分析乳化瀝青的加入對銅石墨復合材料性能的影響,最終的主要結(jié)果如下:(1)XRD分析表明,乳化瀝青的加入對復合材料的物相影響不大。SEM分析發(fā)現(xiàn),銅石墨復合材料的界面處銅與石墨為物理結(jié)合且存在著孔隙,而銅石墨乳化瀝青復合材料的界面處出現(xiàn)了薄層狀類似于石墨烯結(jié)構(gòu),且界面處會出現(xiàn)卷曲、彎折等特征形貌。(2)通過對復合材料的密度、導電率及硬度等性能的分析發(fā)現(xiàn),復合材料的密度與硬度會隨著石墨含量的增高而降低,但其電阻率會增高;經(jīng)復壓后,復合材料的密度和硬度會顯著提升,而其電阻率會有所下降。(3)摩擦磨損性能分析表明,復合材料的磨損量會隨著石墨含量與載荷的增加而增加,但在相同條件下銅石墨乳化瀝青復合材料的磨損量要遠小于銅石墨復合材料的磨損量。其中,當石墨含量為6%時這種現(xiàn)象尤其明顯。而且,復合材料的摩擦系數(shù)會隨著石墨含量與載荷的增加而減小;當石墨含量在4%-6%之間時,銅石墨乳化瀝青復合材料的摩擦磨損性能最好且明顯優(yōu)于銅石墨復合材料,且添加乳化瀝青試樣的摩擦系數(shù)隨著載荷的增加摩擦系數(shù)變化穩(wěn)定性好于沒添加乳化瀝青的試樣,說明乳化瀝青的加入會對銅石墨的界面結(jié)合產(chǎn)生積極的影響。(4)第一性原理模擬結(jié)果表明,瀝青質(zhì)中的吖啶(AD)分子會同時與Cu、石墨發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移,從而大大提高了Cu與石墨界面的結(jié)合性能,這很好的驗證了乳化瀝青的加入對銅石墨復合材料的界面具有改善作用的結(jié)論。
【學位單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

直接與接觸導線接觸，從接觸導線上獲得電流為機車提供動力[7]（如圖1.1所示）。在電力機車行駛過程中，受電弓滑板與受電弓接觸網(wǎng)線發(fā)生高速摩擦，這就要求其具有良好的摩擦磨損性能；且由于這對摩擦副所處的環(huán)境特殊，摩擦的過程當中存在明顯的電氣磨損，因此必須保證滑板材料優(yōu)良的質(zhì)量和穩(wěn)定性，來確保機車的動力供應(yīng)，行車安全以及運行速度。圖 1.1 受電弓滑板示意圖及其應(yīng)用Fig 1.1 Schematic diagram of pantograph slider and its application1.2.1 受電弓滑板的使用特點及性能要求受電弓滑板材料在使用過程當中，滑板與導線構(gòu)成的特殊受流摩擦副，其工作狀況有以下幾個顯著地特點：（1）弓網(wǎng)間相對滑動速度較高，速度可達30m/s，屬于高速摩擦磨損領(lǐng)域，若滑板材料強度不足，易損壞，會給安全帶來很大威脅；（2）弓網(wǎng)在接觸時會有接觸壓力

在瀝青中添加合適的乳化劑，經(jīng)過機械作用，使瀝青以微小顆粒形態(tài)穩(wěn)定存在于水溶液中，形成更方便使用的水包油狀乳液乳化瀝青[50]更便于施工。其制備工藝流程如圖 1-3 所示[51]。瀝青和水在瀝青乳化劑的作用下進行乳化的。乳化劑是具有親水基和疏水基的兩親分子[52]。在乳化過程中，乳化劑水溶液中乳化劑分子的疏水基碳氧鏈向瀝青微�？繑n，并插入瀝青微粒中，而親水基則與水分子接觸。這樣使得每個瀝青微粒表層都吸附了眾多的乳化劑分子，將瀝青顆粒包裹住，形成一層界面膜[53]。瀝青乳化劑分子的親水基能夠以氫鍵的方式與水分子結(jié)合在一起,這樣在界面膜的外層又形成了一層水合層。當乳化劑為離子型乳化劑時，乳化劑分子在水中電離后使界面膜帶有了相應(yīng)的電荷，形成了界面電荷層[54]。乳化瀝青呈茶褐色，常溫下具有高度流動性。一般根據(jù)乳化劑的類型可分為四大類：陰離子型乳化瀝青、陽離子型乳化瀝青、非離子型乳化瀝青和兩性型乳化瀝青[55]。

圖 2.2 試樣的燒結(jié)曲線Fig 2.2 The sintering curve of the specimen一個把壓制成型的材料轉(zhuǎn)變成塊體材料的過程，成型的樣理性能和機械性能都有了極大地提升，因此，燒結(jié)的過程一般來說，燒結(jié)溫度為 0.6-0.8Tm左右[85]（Tm為樣品主要組實驗中，銅的熔點為 1084℃；由于乳化瀝青在燒結(jié)過程中、小分子揮發(fā)、芳構(gòu)化和縮聚等復雜的化學變化，導致坯產(chǎn)生密度、強度、硬度等物理性能的變化；主要具體過程如當溫度上升至 200℃以上時，坯體中的水份、低分子量有機，在這個溫度范圍內(nèi)，非芳香族物質(zhì)會變成氣態(tài)或液態(tài)脫聚成分子量較大的苯不溶物；當溫度超過 400℃時，一方面有機物的分解程度會加劇，主分解產(chǎn)生氫、甲烷、一氧化碳和二氧化碳等低分子化合物

【參考文獻】

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本文編號：2833661