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载流条件下CNTs-Ag-G电接触材料滑动摩擦磨损性能研究

作　者: 王娟
导　师: 凤仪
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料学
关键词: 碳纳米管-银-石墨复合材料电流极性电流密度石墨含量碳纳米管含量接触电压降摩擦系数磨损量
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

碳纳米管具有优异的力学性能和良好的导电导热性,是理想的复合材料增强体。本文通过对碳纳米管表面镀覆一层银,增加碳纳米管与基体的界面结合强度、提高碳纳米管的分散性,从而改善复合材料性能。由于碳纳米管尺寸小、曲率大、易缠结,对其表面进行化学镀银比较困难。研究发现,经过研磨、氧化、敏化、活化后,可以提高碳纳米管的表面活性,最终在碳纳米管表面成功镀覆一层比较均匀的银层。采用粉末冶金方法制备碳纳米管-银-石墨复合材料,初压压力200MPa,在H2保护气氛下烧结并保温1h,复压压力400MPa制得复合材料。复合材料中添加石墨和碳纳米管保证了复合材料具有自润滑作用以及良好的强度、硬度。研究了石墨和碳纳米管含量变化对复合材料组织性能的影响。首先,保持碳纳米管质量百分比1%不变,制备石墨质量百分比分别为8%,10%,13%,15%和18%的CNTs-Ag-G复合材料。研究发现,随着复合材料中石墨含量的增多,材料的相对密度、布氏硬度值降低,电阻率升高。并且复压后的材料性能明显高于复压前。其次,保持银体积百分比65%不变,使用碳纳米管部分取代石墨,其中碳纳米管体积百分比分别为0%,2%,4%,6%和8%。研究发现,当复合材料中碳纳米管的含量较少时,材料的相对密度和布氏硬度随碳纳米管含量的增加而增大,而电阻率则随碳纳米管含量的增加而持续下降。当含量超过6%后,复合材料的相对密度和硬度有下降趋势,这主要由于碳纳米管在复合材料中分布不均匀所致。研究了电流极性、电流密度、石墨含量和碳纳米管含量对复合材料接触电压降的影响。研究发现,在电磨损过程中,正负电刷接触电压降变化趋势相同—先上升然后趋于稳定,且负刷的接触电压降大于正刷的接触电压降。随着电流密度的增大,接触电压降略有上升,但与电流密度之间为非线性关系,符合电机用电刷使用要求。电刷的接触电压降随复合材料中石墨质量百分含量的增大先上升最后趋于稳定,随复合材料中CNTs的体积百分含量的增大先上升后下降。研究了石墨含量、碳纳米管含量和电流密度对复合材料摩擦系数的影响。随着复合材料中石墨质量百分含量的增多,电刷的摩擦系数逐渐降低,并且电摩擦系数远大于机械摩擦系数。这是因为随着石墨含量的增多,复合材料在磨损过程中形成的润滑膜更加完整,摩擦发生在润滑膜层,因此摩擦系数减小;由于电磨损中润滑膜容易被破坏,因此电磨损中摩擦系数较大。复合材料的摩擦系数随材料中CNTs体积百分含量的增加先上升后下降,碳纳米管含量6%时,摩擦系数最大。电磨损过程中的摩擦系数明显高于机械磨损的摩擦系数,且两者之间有着倍数的差别。随单位面积上电流密度的增加(0~25A/cm2),摩擦系数上升;且摩擦初始阶段的摩擦系数较大,随时间推移,摩擦系数逐渐减小,最后稳定在一定范围内。研究了石墨含量、碳纳米管含量、电流极性和电流密度对复合材料磨损量的影响。随石墨含量的增加,电磨损量先下降后上升,石墨质量百分含量在13%左右磨损量最低。这是由于随着石墨含量的增加,复合材料的磨损机制发生转变造成的。碳纳米管体积含量对复合材料磨损量的影响表明,当CNTs体积百分含量小于6%时,材料的耐磨性提高,复合材料磨损量随CNTs体积百分含量的增加而下降,此时碳纳米管可在复合材料中均匀分布;当CNTs含量超过6%后,磨损量有增加的趋势,这是因为碳纳米管含量过多容易在复合材料中缠结在一起,不能起到有效的增强作用。随着电流密度的增大,电刷磨损量增大。电磨损过程中复合材料的磨损存在极性差异:正刷磨损量始终大于负刷磨损量,且随着电流密度的增大,正刷磨损量成倍增长,负刷磨损量则与电流密度关系不大,电流密度越大,极性差异越明显。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
致谢  12-18
第一章绪论  18-34
  1.1 复合材料  18-21
    1.1.1 金属基复合材料  18-19
    1.1.2 金属基复合材料的分类  19-20
    1.1.3 金属基复合材料的特性  20-21
  1.2 电接触简介  21-22
  1.3 电刷  22-25
    1.3.1 电刷的功能  22
    1.3.2 电刷材料  22-25
  1.4 碳纳米管  25-32
    1.4.1 碳纳米管简介  25-27
      1.4.1.1 碳纳米管的微观结构  25-26
      1.4.1.2 碳纳米管的分类  26-27
    1.4.2 碳纳米管性能  27-30
      1.4.2.1 力学性能  27-28
      1.4.2.2 电磁性能  28
      1.4.2.3 场发射特性  28-29
      1.4.2.4 超级容量电容器  29
      1.4.2.5 碳纳米管的吸附性能  29-30
    1.4.3 碳纳米管在复合材料中的应用  30-32
      1.4.3.1 碳纳米管与碳纤维的区别  30-31
      1.4.3.2 碳纳米管复合材料  31-32
  1.5 本课题研究背景  32-34
第二章碳纳米管-银-石墨电接触材料电磨损性能测试原理和实验过程  34-39
  2.1 电磨损实验装置  34-35
  2.2 电磨损实验准备  35
  2.3 电刷性能测试过程及原理  35-38
    2.3.1 接触电压降测试原理  35-36
    2.3.2 摩擦系数测试原理  36-37
    2.3.3 磨损量测试原理  37-38
  2.4 磨损实验  38
  2.5 主要实验仪器  38-39
第三章碳纳米管-银-石墨电接触材料的制备和组织性能研究  39-55
  3.1 碳纳米管-银-石墨电接触材料的原料性能  39-40
  3.2 碳纳米管的化学镀  40-47
    3.2.1 碳纳米管的化学镀工艺  41
    3.2.2 碳纳米管的研磨和氧化  41-43
    3.2.3 碳纳米管的敏化处理  43-45
    3.2.4 碳纳米管的活化处理  45
    3.2.5 碳纳米管的化学镀银  45-47
  3.3 电接触材料样品的制备  47-48
  3.4 电接触材料性能测试  48-54
    3.4.1 石墨含量变化对电接触材料性能的影响  49-51
      3.4.1.1 石墨含量变化对电接触材料相对密度的影响  49-50
      3.4.1.2 石墨含量变化对电接触材料硬度的影响  50
      3.4.1.3 石墨含量变化对电接触材料电阻率的影响  50-51
    3.4.2 碳纳米管含量变化对电接触材料性能的影响  51-54
      3.4.2.1 碳纳米管含量变化对电接触材料相对密度的影响  51-52
      3.4.2.2 碳纳米管含量变化对电接触材料硬度的影响  52-53
      3.4.2.3 碳纳米管含量变化对电接触材料电阻率的影响  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章碳纳米管-银-石墨电接触材料的接触电压降  55-79
  4.1 电刷的接触电压降  55
  4.2 电流传导机理  55-56
  4.3 电流极性对电刷接触电压降的影响  56-67
    4.3.1 收缩电阻  57-62
    4.3.2 薄膜电阻  62-67
  4.4 石墨含量对电接触材料接触电压降的影响  67-71
  4.5 CNTs 含量对复合材料接触电压降的影响  71-78
    4.5.1 CNTs 含量对复合材料硬度的影响  71-72
    4.5.2 CNTs 含量对电接触材料表面粗糙度的影响  72-73
    4.5.3 CNTs 含量对电接触材料接触电压降的影响  73-78
  4.6 本章小结  78-79
第五章碳纳米管-银-石墨电接触材料的摩擦系数  79-88
  5.1 滑动摩擦  79-80
  5.2 石墨含量对电接触材料摩擦系数的影响  80-84
  5.3 CNTs 含量对电接触材料摩擦系数的影响  84-85
  5.4 电流对电接触材料摩擦系数的影响  85-87
  5.5 本章小结  87-88
第六章碳纳米管-银-石墨电接触材料的磨损量  88-102
  6.1 电接触材料的滑动磨损  88
  6.2 石墨含量对电接触材料磨损量的影响  88-95
  6.3 CNTs 含量对电接触材料磨损量的影响  95-97
  6.4 电流对磨损量的影响  97-101
  6.5 本章小结  101-102
第七章全文主要结论  102-105
参考文献  105-113
攻读博士学位期间发表的论文  113

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