基于特征参量的弥散强化相颗粒对载流摩擦界面复合损伤的抑制作用机制

随着我国交通、电力和通讯等领域载流摩擦副服役条件的苛刻化，新型载流摩擦副材料的设计和应用问题日益突出，开展基于新型材料特征的载流摩擦副相关损伤机制的研究更加迫切。.本项目以弥散强化铜基复合材料载流摩擦界面为研究对象，在研究弥散强化相颗粒特征参量（特性表征参量和颗粒分布特征参量）与载流摩擦副载流特性和摩擦学特性内在关联的基础上，重点研究具有典型特征参量的弥散强化相颗粒在载流摩擦磨损过程中的动态失效规律，探讨基于特征参量的弥散强化相颗粒对摩擦界面电弧损伤和机械损伤的影响规律，揭示基于特征参量的弥散强化相颗粒对载流摩擦界面复合损伤的抑制作用机制，提出载流摩擦磨损条件下弥散强化相颗粒特征参量设计依据。.为载流摩擦磨损条件下弥散强化铜基复合材料的设计提供理论依据，为我国重大工程领域中新型高品质长寿命载流摩擦副的设计和应用提供技术支撑。

本项目系统研究了弥散强化铜基复合材料颗粒特征参量、载流摩擦磨损特性以及损伤机制之间的内在关联，提出了载流摩擦磨损条件下弥散强化铜基复合材料的设计依据。采用不同制备工艺制备了具有不同颗粒特性表征参量（熔点、热膨胀系数、硬度等）和颗粒分布特征参量（颗粒数量、大小和间距）的铜基复合材料。在系统研究具有不同颗粒特征参量的铜基复合材料的主要机械性能、导电导热性能、热膨胀性能以及微观组织的基础上，借助载流摩擦磨损试验，重点研究了不同服役参数对铜基复合材料载流摩擦磨损特性的影响规律，并借助微观分析手段研究了铜基复合材料的损伤机制。研究结果表明：.（1）颗粒分布特征参量对铜基复合材料的载流摩擦磨损性能和损伤机制具有重要影响。当颗粒粒径为50~100nm时，铜基复合材料具有较优越的载流摩擦磨损性能。当颗粒体积分数为2.0~2.5vol.%时，摩擦系数和磨损率较低。.（2）铜基复合材料的磨损率与颗粒-基体的膨胀系数的差值呈现一致的变化趋势，颗粒与基体的膨胀系数相差越小，磨损率和摩擦系数越低。MgO/Cu复合材料和Al2O3/Cu复合材料的载流摩擦磨损机理以塑性变形为主，同时伴有粘着磨损的发生。SiC/Cu复合材料和SiO2/Cu复合材料载流摩擦磨损形式主要以粘着磨损为主，同时伴有少量的电弧烧蚀。.（3）试验范围内，铜基复合材料的磨损率和摩擦系数均随着电流的增大而增加，磨损率随着速度或载荷的增大而增加，摩擦系数随着速度或载荷的增大而减小。铜基复合材料在无载流条件下磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损；在载流条件下磨损机制主要为粘着磨损、磨粒磨损、氧化磨损和电烧蚀磨损，且随加载电流的不断增加，粘着磨损程度加重。.（4）采用内氧化法制备的铜基复合材料较SPS工艺和粉末冶金工艺制备的铜基复合材料具有更高的导电率和硬度，且内氧化法制备的铜基复合材料具有较低的燃弧能量。初步探索表明，不同制备工艺条件下，颗粒增强铜基复合材料具有不同的颗粒/基体共格、半共格和非共格关系，进而对颗粒增强铜基复合材料的性能产生了巨大影响。相关机制有待进一步深入研究。.（5）载流摩擦磨损条件下，弥散强化铜基复合材料的设计依据：①颗粒/铜基体热膨胀系数差值较小，导热系数和熔点较高；②实验条件下颗粒粒径为50~100nm，体积分数为2.0~2.5vol.%较佳；③原位合成（内氧化法）制备工艺是优选工艺。