铜基石墨自润滑复合材料界面性能调控及其摩擦学性能研究

铜基复合材料的摩擦磨损性能研究现状＊蒋娅琳，朱和国（南京理工大学材料科学与工程学院，南京２１００９４）摘要 铜基复合材料具有优异的性能及广泛的应用，而随着其应用的愈加广泛，对其摩擦磨损性能的要求也愈加严格。

综述了国内外颗粒增强、石墨自润滑、纤维增强和碳纳米管增强铜基复合材料的摩擦磨损性能，并简述了目前铜基复合材料存在的一些问题及展望。

关键词 铜基复合材料　颗粒增强　石墨自润滑　碳纤维　碳纳米管　摩擦磨损中图分类号：ＴＢ３３３ 文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｗｅａｒ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｍａｔｒｉｘ　ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＪＩＡＮＧ　Ｙａｌｉｎ，ＺＨＵ　Ｈｅｇｕｏ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９４）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｐｐｅｒ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｈａｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ａ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｓｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｍｏｒｅ　ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ，ｉｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒ　ｍａｔｒｉｘ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｂｙ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｇｒａｐｈｉｔｅ，ｆｉｂｅｒｓ　ｂｏｔｈ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ａｒｅ　ａｎａ－ｌｙｚｅｄ．Ｓｏｍｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ ｃｏｐｐｅｒ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｇｒａｐｈｉｔｅ，ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ，ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　＊国家自然科学基金面上项目（５１３７１０９８）　蒋娅琳：女，１９９０年生，硕士生，主要从事原位合成铜基复合材料方面的研究　Ｅ－ｍａｉｌ：９８３４３５８４５＠ｑｑ．ｃｏｍ　朱和国：通讯作者，男，１９６３年生，副教授，工学博士，主要从事铜基、铁基、钛基、铝基等原位合成复合材料方面的研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｇ１２００＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ０　引言铜基复合材料具有较高的强度及良好的导电导热性、减磨耐磨性、耐蚀性等一系列优点，在摩擦减磨材料、电接触材料和机械零件材料等领域发挥着重要的作用［１，２］。

自润滑复合材料论文-自润滑材料及其摩擦特性摘要:自润滑复合材料是材料科学研究领域的一个重要发展方向,由于其在特殊使用条件下具有优良的摩擦学特性而受到人们的广泛关注。

本文主要介绍国内外自润滑复合材料的开发与进展,讨论了对材料摩擦学性能的影响因素。

关键词:固体润滑摩擦磨损自润滑复合材料一、前言:液态润滑(润滑油、脂)是传统的润滑方式,也是应用最为广泛的一种润滑方式。

但液体润滑存在一下问题:1.高温作用下添加剂容易脱落;2.随温度升高,其粘性下降,承载能力下降;3.高温环境下其性能衰减等问题;4.液体润滑会增加成本,如切削加工中的切削液;5.液体润滑会造成环境污染。

所以,自润滑材料已成为润滑领域的一类新材料,成为目前摩擦学领域的重要研究热点。

二、自润滑材料的种类自润滑材料一般分为金属基自润滑材料、非金属基自润滑材料和陶瓷自润滑材料。

其制备方法通常为粉末冶金法,此外,等离子喷涂、表面技术和铸造法也被应用于自润滑复合材料的制备。

1金属基自润滑材料金属基自润滑复合材料是以具有较高强度的合金作为基体,以固体润滑剂作为分散相,通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料。

目前已开发的金属基自润滑复合材料,如在铁基、镍基高温合金中添加适量的硫或硒及银基和铜基自润滑材料,都已得到一定程度的应用。

2非金属基自润滑材料非金属基自润滑材料主要是指高分子材料或高分子聚合物,如尼龙等。

它在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域得到广泛应用。

目前高分子基自润滑材料的制备途径主要是通过聚合物与聚合物共混及添加纤维、晶须等来提高基体的机械强度;通过添加各类固体自润滑剂来提高摩擦性能。

3陶瓷自润滑材料陶瓷材料以其独特的特点和优点,使得陶瓷及陶瓷复合材料的自润滑研究已经引起了较为广泛的重视。

三、自润滑减摩材料的特点、性能1 粉末冶金法制造减摩材料的特点(1)在混料时可掺入各种固体润滑剂(如石墨、硫、硫化物、铅、二硫化钼、氟化钙等),以改善该材料的减摩性能;(2)利用烧结材料的多孔性,可浸渍各种润滑油,或填充固体润滑剂,或热敷和滚轧改性塑料带等,使材料更具自润滑性能,减摩性能特佳;(3)优良的自润滑性,使它能在润滑剂难以到达之处和难以补充加油或者不希望加油(如医药、食品、纺织等工业)的场合,能安全和无油污染的使用;(4)较易制得无偏析的、两种以上金属的密度差大的铜铅合金—钢背、铝铅合金—钢等双金属材料;(5)材料具有多孔的特性,能减振和降低噪声;(6)材质成分选择灵活性大,诸如无机材料金属及合金、非金属、化合物和有机材料聚合物等,均可加入其中,并能获得较理想的减摩性能,例如高石墨含量的固体润滑减摩材料等;(7)特殊用途的减摩材料,如空气轴承、液压轴承、耐腐蚀性轴承等,更发挥了粉末冶金减摩材料的特点。

金属基固体自润滑复合材料的研究进展王常川;王日初;彭超群;冯艳;韦小凤【摘要】介绍固体润滑技术和固体润滑材料的应用背景和优势,总结难熔金属基、铜基、铝基、铁基和镍基等金属基固体自润滑复合材料各自的特点,讨论金属基固体自润滑复合材料的自润滑机理,指出金属基固体自润滑复合材料在研究与开发中出现的问题,介绍近年来金属基固体自润滑复合材料制备方法和研究内容方面的进展.%The backgrounds and advantages of solid lubricating technology and materials were introduced. The characteristics of refractory metal-based, copper-based, aluminum-based, iron-based and nickel-based solid self-lubricating composites were summarized. The lubrication mechanism of metallic solid self-lubricating composite was discussed. The problems in the research and development of metallic solid self-lubricating composite were pointed out. The progresses in the preparation and research of metallic solid self-lubricating composite were introduced.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2012(022)007【总页数】11页(P1945-1955)【关键词】金属基复合材料;固体润滑剂;自润滑;润滑机理【作者】王常川;王日初;彭超群;冯艳;韦小凤【作者单位】中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083;中南大学材料科学与工程学院,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TF125.9Abstract:The backgrounds and advantages of solid lubricating technology and materials were introduced. The characteristics of refractory metal-based, copper-based, aluminum-based, iron-based and nickel-based solid selflubricating composites were summarized. The lubrication mechanism of metallic solid self-lubricating composite was discussed. The problems in the research and development of metallic solid self-lubricating composite were pointed out.The progresses in the preparation and research of metallic solid self-lubricating composite were introduced.Key words:metallic composite; solid lubricant; self-lubricating; lubrication mechanism全世界每年消耗的各类燃油总计约15亿t，但能源有效利用率只有30%左右。

石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维晶体材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，其独特的物理和化学性质引起了全球科研人员的广泛关注。

石墨烯以其超高的电导率、热导率、强度以及优良的摩擦学性能，在众多领域展现出巨大的应用潜力。

特别是在摩擦学领域，石墨烯及其基复合润滑材料的研究，对于提高机械部件的运行效率、降低能耗、延长使用寿命等方面具有深远的意义。

本文旨在全面综述近年来石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展。

我们将从石墨烯的基本性质出发，深入探讨其摩擦学特性，包括摩擦系数、磨损率等关键指标。

随后，我们将重点介绍石墨烯基复合润滑材料的制备工艺、性能优化及其在实际应用中的表现。

本文还将对石墨烯在摩擦学领域的未来研究方向和应用前景进行展望，以期为相关领域的科研工作者和工程师提供有益的参考和启示。

二、石墨烯的摩擦学特性石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，自其被发现以来，便因其独特的物理和化学性质引起了摩擦学领域的广泛关注。

石墨烯的摩擦学特性主要表现在其超常的力学性能和极低的摩擦系数上。

石墨烯的力学性能卓越，其杨氏模量高达0 TPa，抗拉强度约为130 GPa，这使得石墨烯在承受压力时表现出极高的稳定性。

因此，在摩擦过程中，石墨烯可以作为有效的承载层，减少摩擦界面的磨损。

石墨烯具有极低的摩擦系数。

研究表明，石墨烯在多种材料表面上的摩擦系数都低于1，甚至在某些条件下可以达到超低摩擦状态。

这种低摩擦特性使得石墨烯在润滑材料领域具有巨大的应用潜力。

石墨烯还具有出色的热稳定性和化学稳定性，这使得它在高温、高湿、高腐蚀等恶劣环境下仍能保持稳定的摩擦性能。

因此，石墨烯不仅可以在常规条件下作为润滑材料使用，还可以在极端条件下发挥出色的润滑效果。

然而，尽管石墨烯具有诸多优点，但在摩擦学应用中也存在一些挑战。

例如，石墨烯的层间剪切强度较低，容易在摩擦过程中发生滑移，导致摩擦系数的波动。

自润滑复合材料论文-自润滑材料及其摩擦特性摘要:自润滑复合材料是材料科学研究领域的一个重要发展方向，由于其在特殊使用条件下具有优良的摩擦学特性而受到人们的广泛关注。

本文主要介绍国内外自润滑复合材料的开发与进展，讨论了对材料摩擦学性能的影响因素。

关键词：固体润滑摩擦磨损自润滑复合材料一、前言：液态润滑(润滑油、脂是传统的润滑方式，也是应用最为广泛的一种润滑方式。

但液体润滑存在一下问题:1.高温作用下添加剂容易脱落；2。

随温度升高，其粘性下降，承载能力下降；3.高温环境下其性能衰减等问题；4。

液体润滑会增加成本,如切削加工中的切削液；5.液体润滑会造成环境污染.所以,自润滑材料已成为润滑领域的一类新材料,成为目前摩擦学领域的重要研究热点。

二、自润滑材料的种类自润滑材料一般分为金属基自润滑材料、非金属基自润滑材料和陶瓷自润滑材料。

其制备方法通常为粉末冶金法,此外,等离子喷涂、表面技术和铸造法也被应用于自润滑复合材料的制备。

1金属基自润滑材料金属基自润滑复合材料是以具有较高强度的合金作为基体,以固体润滑剂作为分散相，通过一定工艺制备而成的具有一定强度的复合材料。

目前已开发的金属基自润滑复合材料,如在铁基、镍基高温合金中添加适量的硫或硒及银基和铜基自润滑材料，都已得到一定程度的应用。

2非金属基自润滑材料非金属基自润滑材料主要是指高分子材料或高分子聚合物，如尼龙等.它在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗和食品加工等领域得到广泛应用。

目前高分子基自润滑材料的制备途径主要是通过聚合物与聚合物共混及添加纤维、晶须等来提高基体的机械强度；通过添加各类固体自润滑剂来提高摩擦性能。

3陶瓷自润滑材料陶瓷材料以其独特的特点和优点,使得陶瓷及陶瓷复合材料的自润滑研究已经引起了较为广泛的重视。

三、自润滑减摩材料的特点、性能1 粉末冶金法制造减摩材料的特点(1在混料时可掺入各种固体润滑剂(如石墨、硫、硫化物、铅、二硫化钼、氟化钙等，以改善该材料的减摩性能；(2利用烧结材料的多孔性，可浸渍各种润滑油，或填充固体润滑剂,或热敷和滚轧改性塑料带等，使材料更具自润滑性能，减摩性能特佳；（3优良的自润滑性,使它能在润滑剂难以到达之处和难以补充加油或者不希望加油（如医药、食品、纺织等工业的场合,能安全和无油污染的使用；（4较易制得无偏析的、两种以上金属的密度差大的铜铅合金-钢背、铝铅合金-钢等双金属材料；（5材料具有多孔的特性，能减振和降低噪声;(6材质成分选择灵活性大，诸如无机材料金属及合金、非金属、化合物和有机材料聚合物等,均可加入其中，并能获得较理想的减摩性能，例如高石墨含量的固体润滑减摩材料等;（7特殊用途的减摩材料，如空气轴承、液压轴承、耐腐蚀性轴承等，更发挥了粉末冶金减摩材料的特点。

聚合物基自润滑材料的研究现状与进展聚合物基自润滑材料是指在聚合物基材料中添加了填充物或添加剂，使其在摩擦过程中产生自动润滑作用的材料。

目前，这种材料是工业界和科研界广泛关注的研究领域之一，它具有重要的应用前景和经济效益。

本文将介绍聚合物基自润滑材料的研究现状和最新进展。

一、聚合物基材料的摩擦学性能聚合物基材料的摩擦学性能是研究其自润滑性能的关键。

根据文献报道，聚合物材料的摩擦性能受许多因素的影响，包括材料成分、填充物、表面形貌等。

因此，摩擦学性能的研究是深入探讨聚合物基自润滑材料机理的关键。

二、填充物的影响填充物是影响聚合物基自润滑材料性能的重要因素。

目前常用的填充物有石墨、润滑油和纳米颗粒等。

石墨是一种优质的填充物，可以显著提高材料的摩擦学性能和自润滑性能。

润滑油在填充材料中具有良好的自润滑特性，但其物理性质和化学性质受到温度和湿度等环境的影响。

纳米颗粒具有很强的表面活性和较高的比表面积，可以提高材料的摩擦学性能和抗磨性能。

三、添加剂的影响添加剂是指能够增加聚合物基材料摩擦学性能或提高自润滑性能的化合物，如磨损抑制剂、抗氧化剂、润滑剂等。

添加剂的影响取决于其成分和添加量。

添加适量的抗氧化剂和润滑剂可以显著提高材料的耐久性和自润滑性能，从而提高材料的性能。

四、发展方向和前景对聚合物基自润滑材料的发展方向和前景的研究显示，当前的研究中主要关注以下两个方面：一是基于纳米技术、生物技术等新技术研究开发新型聚合物基自润滑材料；二是对已有的聚合物基材料进行改进和优化，提高其自润滑性能和抗磨性能等。

总的来说，聚合物基自润滑材料是一种具有广泛应用前景和经济效益的材料。

其研究是深入探讨材料摩擦学性质和自润滑机理的关键。

未来，聚合物基自润滑材料的产业化和实际应用将会得到更深入的发展。

第47卷第5期燕山大学学报Vol.47No.52023年9月Journal of Yanshan UniversitySept.2023㊀㊀文章编号:1007-791X (2023)05-0398-13金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展邹㊀芹1,2,王㊀鹏1,徐江波1,李艳国2,∗(1.燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004;2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004)㊀㊀收稿日期:2022-05-25㊀㊀㊀责任编辑:唐学庆基金项目:丹凤朝阳人才支持计划(丹人才办[2019]3号);河北省高等学校科学研究重点项目(ZD2021099)㊀㊀作者简介:邹芹(1978-),女,安徽淮北人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为超硬及特种陶瓷材料㊁摩擦磨损;∗通信作者:李艳国(1978-),男,河北唐山人,博士,副研究员,主要研究方向为金属基复合材料,Email:lyg@㊂摘㊀要:固体润滑剂在金属基自润滑复合材料中的应用正在迅速增加,特别是在极端环境(高温㊁高负载等)条件下工作的耐磨材料㊂目前,金属基自润滑复合材料中常使用的固体润滑剂主要有无机层状固体润滑剂㊁金属及其化合物㊁MAX 金属陶瓷㊁有机物固体润滑剂㊁碳纳米材料固体润滑剂㊁多元复合固体润滑剂等,其种类很多,且各自有其适用的环境和基体㊂根据基体材料以及工况环境选择相匹配的固体润滑剂,可以保证金属基自润滑复合材料具有良好的减摩耐磨效果㊂针对上述内容,本文综述了金属基自润滑复合材料采用的固体润滑剂种类㊁基本性质㊁优缺点㊁润滑机理,总结了固体润滑剂的适用温度及其在金属基自润滑复合材料中的应用情况,并对金属基自润滑复合材料固体润滑剂的发展趋势进行了展望㊂关键词:金属基自润滑复合材料;固体润滑剂;润滑机理;研究进展;展望中图分类号:TB331㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2023.05.0030㊀引言固体润滑剂[1]是金属基自润滑复合材料的重要组成部分,在金属基自润滑复合材料中的应用具有很长的历史㊂早在19世纪初期[2-3],石墨和Pb 已经作为润滑剂用于低速运转的机器上㊂20世纪30年代,添加固体润滑剂的铁基自润滑轴承在德国出现㊂20世纪60年代,添加MoS 2的金属基自润滑复合材料逐渐产生,并对超音速飞机的问世起到了重要的推动作用[4]㊂到目前为止,由于固体润滑剂可在一些特殊工况下(见表1)起润滑作用,这对高新技术的发展起到了重要的推动作用[5]㊂金属基自润滑复合材料固体润滑剂种类很多,包括无机层状固体润滑剂㊁金属及其化合物㊁MAX 金属陶瓷㊁有机物固体润滑剂㊁多元复合固体润滑剂等,其各有优缺点,且仍处于不断发展阶段㊂表1㊀固体润滑剂的适用场景Tab.1㊀Applicable scenaries of solid lubricants适用场景具体应用高负载滑动场景重型机械中的摩擦部件高温环境下磨损场景航空航天发动机㊁导弹燃油泵等摩擦部件强辐射环境下摩擦场景核电站㊁卫星等设备上的裸露活动部件强腐蚀性介质中摩擦场景化学反应器轴承,压缩机螺丝等部件摩擦接触表面导电场景电刷㊁受电弓滑板等灰尘或碎片环境中工作场景矿山机械和织机机械中的摩擦部件需要保证清洁的摩擦场景食品机械㊁纺织机械等摩擦部件微颤环境下的摩擦场景汽车和飞机上的摩擦部件1㊀无机层状固体润滑剂1.1㊀石墨石墨价格低廉,在潮湿环境中由于水的氢离第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展399㊀子和氢氧根离子的饱和导致层间范德华键减弱,从而促进了层间分裂,在金属表面形成一层具有减摩作用的润滑膜[6],使得其可在潮湿环境提供有效润滑㊂目前,石墨作为金属基自润滑复合材料固体润滑剂的研究主要集中在改善不同钢种在不同工业应用中的摩擦磨损性能上,而制备时石墨与部分金属基体(Cu㊁Al等)润湿性较差,导致两者界面结合变差,影响复合材料的力学性能以及摩擦学性能,另外使用过程中产生的高温会导致石墨氧化和烧蚀,严重影响润滑效果[6-8]㊂对石墨进行金属化改性,如采用金属(Ni㊁Cu等)包覆石墨的办法,能有效改善石墨与基体的界面结合,同时防止石墨氧化和腐蚀,改善石墨高温润滑效果,从而提高复合材料摩擦学性能,扩大使用范围㊂张鑫等[9]采用Cu包覆石墨制备了Cu基粉末冶金摩擦材料,其材料表面形成的摩擦膜主要为氧化膜,而采用普通石墨时,由于材料表面较多的石墨会抑制氧化反应,会形成石墨膜,其对材料表面的保护效果不及氧化膜㊂但相对于原基体,两种材料摩擦性能均有明显提高㊂Zhao等[10]证明了石墨与青铜无法充分润湿,而加入Ni或Cu包覆石墨的复合材料可以明显提高石墨与基体的结合性,Ni包覆石墨青铜基材料具有更稳定的摩擦系数㊁更低的磨损率㊁更高的维氏硬度,包覆石墨的Ni也可以提高复合材料的耐蚀性㊂牛志鹏等[11]发现加入镀Ni石墨可以降低石墨与Al的润湿角,提高基体的力学性能,降低复合材料的摩擦系数和磨损率,使金相组织变得更加致密㊂但石墨表面光滑且亲水性差,难以实现完全包覆㊂罗虞霞等[12]发现,采用机械化整形处理石墨表面,可以获得更为完整的Ni包覆层㊂冀国娟等[13]发现,在石墨表面进行微氧化以及在化学包覆反应溶液中加入醇类表面活性剂,均可提高包覆率㊂综上,采用金属包覆石墨作为固体润滑剂可显著提高其高温润滑特性㊂然而,石墨表面包覆金属层的完整性是决定其润滑性能的关键因素㊂故进一步提高石墨表面包覆金属层的完整性以及连续性将继续成为研究的重点㊂1.2㊀BNBN导电性能强㊁热稳定性高,在大气环境中适用温度为500~800ħ,是高温自润滑材料的优良润滑剂㊂其润滑机理为[14-15]:高于500ħ时,BN 会在摩擦过程中剥落而转移到摩擦表面形成润滑膜,起减摩作用㊂蒋冰玉等[16]以Ni-Cr合金为基体材料,BN为固体润滑剂,制备出燃气轮机中减摩耐磨用的高温自润滑复合材料㊂目前,尽管BN 是一种人们熟知的高温固体润滑剂,但由于其存在有效性差㊁不可润湿等问题,使得人们对于BN 单独应用在金属基自润滑复合材料上的报道较少,其常与其他固体润滑剂协同润滑[17]㊂2㊀金属及其化合物2.1㊀金属常见的金属固体润滑剂有Pb㊁Al㊁Ag㊁Au㊁Sn㊁Bi㊁In等,其具有纯度高㊁原料易得㊁低温环境不会丧失润滑性能等优点㊂金属固体润滑剂在强辐射㊁真空㊁低温等极端工作条件非常适合作为金属基自润滑复合材料的固体润滑剂使用,常与Cu㊁Al㊁TiAl等金属基体组成复合材料㊂其润滑机理为:在摩擦热的作用下,由于热膨胀系数不同,金属逐渐从基体内扩散到摩擦表面形成润滑膜,起减摩作用,但其适用环境受温度限制严重㊂Yao等[18]发现,在200ħ时,Ag在剪切应力作用下扩散到摩擦表面,起减摩耐磨作用㊂但在600ħ时Ag完全失去润滑作用(图1)㊂Dong 等[19]发现,Cu-24Pb-x Sn合金的自润滑性能和力学性能随Sn含量的增加而增加,Pb含量的增加有效地削弱了以摩擦系数变化为特征的粘滑现象㊂李聪敏等[20]以Al-Cu-Mg合金为基体,添加低熔点组元Bi后合金抗咬合能力明显提升,发现带状富Bi 相涂覆在磨损表面,起到减摩自润滑作用㊂金属在强辐射㊁真空㊁低温等极端环境仍具有润滑特性,但是也存在着一些缺点,如:Pb本身有毒,对人体和环境都有危害,Ag㊁Au㊁In等金属作为固体润滑剂时成本太高;金属在空气中暴露的时间过长时,易发生氧化反应,影响润滑效果㊂2.2㊀金属氧化物常见的金属氧化物固体润滑剂有PbO㊁CuO㊁MoO3㊁SnO㊁ZnO等㊂金属氧化物是最早应用的高温固体润滑剂,常与Fe㊁Ni㊁NiAl等金属基体组成复合材料㊂由于金属氧化物具有较低的剪切强度,可有效避免摩400㊀燕山大学学报2023擦过程中的咬合现象㊂Peterson 等[21]考察了大量氧化物的高温摩擦学特性,发现PbO 等少数氧化物可实现较宽温度范围内的有效润滑㊂但是,由于PbO 危害环境,国外已限制其应用㊂Zhu 等[22]通过PM 制备了添加氧化物(ZnO /CuO)的NiAl-C-Mo 自润滑材料,发现氧化物在低温时几乎不起减摩作用㊂但当温度达到600ħ时,磨损表面形成了ZnO㊁CuO 和MoO 3层,表现出了良好的减摩耐磨效果㊂结果表明,金属氧化物在高温时润滑效果显著㊂但是,目前关于二组元氧化物的润滑机理还未得到统一㊂图1㊀TiAl 基自润滑复合材料磨损表面的微观结构演变示意图Fig.1㊀Schematic diagram of microstructure evolution of wear surface of TiAl based self-lubricating composite2.3㊀金属氟化物常见的金属氟化物固体润滑剂有CaF 2㊁BaF 2㊁LaF 3等㊂金属氟化物热稳定性良好,从500ħ到1000ħ的温度范围都能起到良好的减摩耐磨作用,其原因主要为金属氟化物在500ħ时经历了由脆性到塑性的转变㊂Longson [23]发现,CaF 2和BaF 2具有良好润滑性的原因是其在摩擦过程中由脆性向塑性转变以及氟元素与金属表面发生化学反应的共同作用㊂尽管对CaF 2和BaF 2润滑机理进行了大量研究,但是对于其转移润滑机理的全面认识还有赖于进一步研究㊂综上,由于金属氟化物特殊的润滑机制导致其在低温时不提供润滑,故单独采用金属氟化物作为金属基自润滑复合材料固体润滑剂的报道很少,其多与石墨㊁Ag 等固体润滑剂复合使用,达到宽温度范围有效润滑的目的㊂2.4㊀金属硫化物常见的金属硫化物固体润滑剂有MoS 2㊁WS 2㊁FeS㊁CrS 等㊂MoS 2属于六方晶系,具有层状结构,常与Fe㊁Al㊁Ag 等金属基体组成复合材料㊂MoS 2在大气环境中适用温度可达350ħ,润滑机理与石墨相似,由于具有低摩擦㊁低接触电阻等优点,广泛用作航空㊁航天机构中的滑动电接触材料[24]㊂WS 2因其良好的热稳定性和抗氧化性而广泛应用于高温环境㊂研究表明[25-27],在大气环境中通过在金属基体中掺入MoS 2或WS 2颗粒可显著提高Ni [25]㊁Al [26]㊁Fe [27]等金属基复合材料的摩擦学性能,使其满足使用要求㊂但是,MoS 2和WS 2会因大气湿度高㊁氧气的存在以及高温而导致润滑性能降低㊂通过掺杂金属或无定形碳可以保护MoS 2边缘位置免受氧化,从而提高MoS 2和WS 2在潮湿或较高温度条件下的摩擦学性能㊂Rigato 等[28]发现在MoS 2层状结构中掺杂Ti 增加了MoS 2层间距离,从而改善了其摩擦学性能㊂此外,研究发现,在MoS 2层状结构中掺杂Ni [29]㊁Cu [30]等金属可提高复合材料在潮湿环境和真空条件下的摩擦磨损性能㊂FeS 与MoS 2相比,具有优异的耐高温特性,因其较疏松的鳞片状结构能储存润滑油,可进一步提升润滑性能㊂尹延国等[31]发现FeS /Cu 基复合材料在在干摩擦过程中,FeS 颗粒聚集在摩擦表面形成一层硫化物固体润滑膜,具有较好的减摩㊁抗粘着作用,在油润滑条件下,润滑油膜和FeS 固体润滑膜可以起协同润滑作用㊂Lu 等[32]采用NiCr /Cr 3C 2和WS 2粉末在Ti 6Al 4V 基体上激光熔覆制备了Ti 2SC /CrS 自润滑耐磨复合涂层,由于原位合第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展401㊀成的自润滑Ti2SC和CrS的存在,自润滑抗磨复合涂层显示出比不添加WS2粉末的抗磨复合涂层更好的摩擦学性能㊂综上,MoS2和WS2在高温真空条件下具有优良的润滑特性,被认为高温真空条件下的首选固体润滑剂㊂在大气环境中,温度低于350ħ时,金属基-MoS2自润滑材料表现出优异的摩擦学性能㊂但是,MoS2在大气环境中高温时容易发生氧化[29-30],限制了其应用环境㊂故如何进一步提高MoS2在潮湿和较高温度条件下的摩擦学性能将继续成为研究的重点㊂2.5㊀金属硒化物常见的金属硒化物固体润滑剂有NbSe2㊂NbSe2导电性能优异,相对摩擦系数低,常与Ag㊁Cu[33-34]等金属基体组成复合材料,广泛应用于电接触领域㊂早在20世纪80年代,美国NASA便采用Ag-NbSe2自润滑材料来制作卫星上的电刷,并取得良好效果㊂Ag-NbSe2自润滑材料具有良好润滑性能的原因[33]为在摩擦热和变形挤压的共同作用下,部分NbSe2转移到摩擦表面,形成了NbSe2润滑膜,起减摩作用㊂孙建荣等[34]发现,高负载㊁真空条件下,添加纤维状NbSe2的Cu-石墨复合材料摩擦系数远低于原复合材料㊂因此, NbSe2常作为真空条件下的固体润滑剂使用㊂3㊀MAX金属陶瓷MAX金属陶瓷因为其原子结构和独特的化学键特性,使MAX金属陶瓷兼具金属和陶瓷的优点,如高硬度㊁高弹性模量,具有良好的抗氧化性㊁耐腐蚀性㊁导电导热性㊁辐照性能㊁高温机械和摩擦学性能等[35]㊂理论计算约有600余种能稳定存在的三元MAX金属陶瓷,如今可以通过实验合成80多种[36],如Ti3SiC2㊁Ti3AlC2㊁Ti2AlC㊁Ti2AlN㊁Ta2AlC等㊂目前,除Ti3SiC2和Ti3AlC2外,对于其他MAX金属陶瓷应用于金属基自润滑复合材料的研究鲜有报道㊂在材料基体中添加一定量的Ti3SiC2/Ti3AlC2颗粒润滑相能够显著提升金属基体的摩擦学性能㊂研究表明[37-39]不同温度下的微观结构以及反应产物对Ti3SiC2㊁Ti3AlC2的润滑性能有重要的影响㊂Zou等[38]用放电等离子烧结制备Ti3SiC2增强TiAl基复合材料,Ti3SiC2均匀分布在TiAl基质中,部分分解形成Ti5Si3和TiC,室温摩擦时复合材料表面形成Ti3SiC2润滑膜,550ħ摩擦时形成Fe-Ti-Al-Si-氧化物润滑膜,起润滑作用㊂朱咸勇等[39]发现,当试验温度低于400ħ在轻载条件下难以形成稳定氧化物润滑膜,其润滑特性主要依赖于特殊的层状形貌,而试验温度超过500ħ会促使材料表面形成氧化物润滑膜,起到减摩耐磨的作用㊂同时,MAX金属陶瓷添加量对复合材料摩擦学性能影响较为显著㊂陈海吉[40]使用放电等离子烧结制备Ti3AlC2/Cu复合材料,研究表明,随着Ti3AlC2添加量增加,复合材料摩擦磨损性能得到提高㊂研究发现当含量过高时会导致其致密度降低,影响摩擦学性能㊂烧结温度对MAX金属陶瓷自润滑复合材料性能也有重要影响㊂Zhou等人[41]发现烧结温度在900ħ以上时,在Cu和Ti3SiC2界面会形成Cu㊁TiC x㊁Ti3SiC2和Cu x Si y混合区从而提高系统的润湿性和耐磨性㊂综上,MAX金属陶瓷应用在摩擦材料的大多数情况下,由于摩擦过程中形成的氧化物润滑膜具有特殊的层状结构,使复合材料润滑效果更好㊂另外,表面改性以及较高的烧结温度可进一步提高其润滑效果㊂4㊀有机固体润滑剂除上述固体润滑剂外,还有一类性能优越㊁可用于极端环境(真空㊁强辐射)条件下的单一固体润滑剂-有机固体润滑剂㊂有机固体润滑剂种类很多,如聚四氟乙烯(PTFE)㊁三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)等,但较低的适用温度(-270~275ħ)限制了其在金属基复合材料中的应用㊂PTFE是所有聚合物中摩擦系数最低的[42]㊂其抗剪切强度较低,受剪切力时聚合物链脱开,可提供润滑作用㊂同时,由于含F外壳的存在,其抗咬合性优异,常采用电沉积法与Ni[43]㊁Fe[44]等金属基体组成复合材料㊂MCA润滑特性与MoS2相似,滑动面间极易受力断裂,提供润滑作用㊂Tang 等[43]发现,由于润滑转移层的存在,Ni-Co-PTFE 复合材料显示出良好的摩擦学性能(摩擦系数0.08)㊂Xiang等[44]则指出PTFE的低摩擦系数以及40Cr钢的高强度是40Cr钢-PTFE复合材料具有良好摩擦学性能的重要原因㊂但是PTFE的力402㊀燕山大学学报2023学性能较差,线膨胀系数大,故将PTFE用作固体润滑材料时通常要添加填充物对其进行改性或对金属基体进行阳极氧化处理[45]㊂魏羟等[46]用Pb 粉㊁石墨㊁玻璃纤维填充PTFE制成Cu基镶嵌型关节轴承材料,显示出较好的摩擦磨损性能㊂但李同生等[47]发现,与含铅PTFE镶嵌轴承相比,无铅PTFE镶嵌轴承在工作时所形成的润滑膜最为完整㊁均匀,耐磨性更好㊂同时,对金属基体进行阳极氧化处理改性可进一步提高PTFE与基体金属基体的附着性[45]㊂综上,添加填充物对PTFE进行改性或对金属基体进行阳极氧化处理可大大提高复合材料的机械和摩擦学性能㊂5㊀碳纳米材料固体润滑剂近年来,纳米技术的快速发展推动了金属基自润滑复合材料的开发,出现了新型碳纳米材料固体润滑剂,例如碳纳米管(CNTs)㊁石墨烯(GPLs)等㊂由于其尺寸小,容易进入摩擦接触区域,形成保护摩擦膜,产生自润滑效应㊂同时,界面以下的新型碳纳米材料还可以防止应力集中而引发的严重磨损㊂5.1㊀碳纳米管CNTs具有良好的润滑特性,被认为是金属基自润滑复合材料中石墨的替代品㊂在这方面,有相关报道称已经成功开发了用于汽车工业的CNTs-金属基自润滑复合材料[48]㊂Orowan环化机制以及CNTs与金属基体之间热膨胀失配所产生的位错在增强Al/Cu-CNTs复合材料中起着重要作用[49]㊂为达到预想的润滑效果,CNTs在基体中的均匀分布以及界面调控就显得尤为重要㊂对此,研究者们做了大量的工作㊂2004年,Noguchi等[50]开发了一种新方法制备复合材料,首先让CNTs均匀分布在弹性体基体内,然后用Al来置换弹性体基体,从而保证CNTs均匀分布在Al基体内㊂2019年,周川等[51]采用混酸处理㊁分子水平法结合行星球磨两步混合工艺成功制备出Cu-CNTs复合粉末㊂混酸处理将含O官能团成功引入CNTs表面,提高了CNTs与基体的界面结合㊂以上研究均表明,均匀分布的CNTs可显著提高材料的机械和摩擦学性能㊂5.2㊀石墨烯片GPLs是目前已知最薄㊁最硬㊁导电性能最好的材料,具有良好的润滑特性,同时,可以通过晶粒细化㊁位错强化和应力转移来提高复合材料强度[52]㊂在过去的十多年里,绝大多数报道均表明在基体中均匀分布且结合良好的GPLs能够明显改善金属基复合材料的摩擦学性能㊂但是,聚集状态的GPLs增强效果较差,与石墨薄片几乎无差别㊂研究表明[53-55],不同的因素(例如GPLs的类型㊁含量㊁基体材料㊁混料方法和球磨时间等)会显著影响GPLs在金属基体中的分散性㊂为了保证GPLs均匀地分散在基体中,部分研究者在粉体混合工艺中采用氧化石墨烯代替石墨烯,先得到均匀混合的氧化石墨烯/合金粉体,再通过氧化石墨烯的热还原性质得到高度均匀的还原石墨烯/合金粉体[56]㊂Bastwros等[53]则研究了球磨时间对GPLs增强Al基复合材料的影响㊂发现经过10 min球磨后的材料综合性能反而降低,而60min 球磨后GPLs均匀分散在到Al基体内,在摩擦学性能上,GPLs显示出了良好的增强效果㊂另一方面,化学镀和电化学沉积法制备金属包覆型碳纳米材料,也可以确保GPLs均匀地分散在基体中㊂李远军[55]通过化学镀将纳米铜颗粒负载于还原氧化石墨烯表面的方法来确保其在Cu基体上均匀分布㊂但研究表明,化学镀和电化学沉积法一般仅适用于Cu㊁Ni㊁Ag等电负性较低的金属基体㊂综上,碳纳米材料可显著提高材料摩擦学和机械性能㊂但是,CNTs严重团聚以及与基体结合不牢固会减弱增强效果,甚至导致材料失效㊁降低使用寿命,从而进一步增加制造成本,限制其在金属基自润滑复合材料上的广泛应用㊂这就对制造方法㊁材料尺寸大小以及空间分布提出来更为苛刻的要求,但是,由于弱的层间相互作用,碳纳米管㊁石墨烯在实现超滑方面有很大的潜力[57]㊂因此,目前研究者们对于碳纳米材料固体润滑增强金属基自润滑复合材料的研究也主要集中在这四方面:1)提高碳纳米材料在金属基复合材料中分散的均匀性;2)对碳纳米材料与金属形成的界面组织进行调控;3)掺杂其他固体润滑剂,进一步提高金属的减摩耐磨性能;4)微观尺度上,研第5期邹㊀芹等㊀金属基自润滑复合材料固体润滑剂研究进展403㊀究石墨烯对材料性能的作用机理㊂综上,单一固体润滑剂对使用环境具有选择性,无法实现宽温度范围(25~800ħ)以及多种环境下的有效润滑㊂常见单一固体润滑剂的性能及优缺点见表2[1-57]㊂表2㊀单一固体润滑剂性能及优缺点Tab.2㊀Performance and relative merits of single solid lubricant固体润滑剂适用温度/ħ摩擦系数μ优点存在的问题最新解决方法石墨-270~5500.05~0.3(大气中)廉价㊁减震性良好㊁可在潮湿环境提供有效润滑强度较低,仅在大气环境提供有效润滑对石墨粉末进行表面改性,如镍包覆石墨MoS2-270~3500.006~0.25(大气中)0.001~0.2(真空中)高温真空条件下稳定性优异大气环境易氧化失效掺杂金属或无定形碳BN500~8000.15~0.25(大气中)良好的高温固体润滑剂成本较高,低温润滑性差与低温固体润滑剂协同润滑Ag㊁Au-270~4000.08~0.2(大气中).0.08~0.15(真空中)导电性能优异在酸碱条件下无效,成本高与其他固体润滑剂协同润滑PbO200~6500.1~0.3(大气中)可实现宽温度范围有效润滑有毒物质,摩擦系数较高㊁且形成润滑膜易脱落已被其他固体润滑剂替代CaF2㊁BaF2㊁LaF3500~9000.2~0.4(大气中)可实现高温有效润滑低温润滑性差与低温固体润滑剂协同润滑MAX金属陶瓷400~8000.005(大气中)高温机械和摩擦学性能优异,导电性能良好与Fe等基体复合时,界面结合差,易脱落1)添加增强相;2)对Ti3SiC2㊁Ti3AlC2进行表面改性,如镀铜PTFE-270~2750.04~0.2(大气中)0.04~0.15(真空中)真空润滑性能优异,抗咬合性好300ħ以上失效,不耐高温㊁力学性能较差,线膨胀系数大1)添加填充物对PTFE进行改性;2)对金属基体进行阳极氧化处理碳纳米材料-270~5000.05~0.2(大气中)轻质,可显著提高复合材料机械学㊁摩擦学性能团聚以及界面结合严重影响润滑效果,生产成本高昂1)氧化石墨烯代替石墨烯;2)混酸处理;3)金属包覆碳纳米材料;4)掺杂其他固体润滑剂6㊀多元复合固体润滑剂早在20世纪60年代初,人们就已经发现,两种或者多种固体润滑剂混合使用时,由于不同固体润滑剂之间的协同作用,使得其润滑效果好于其中任何一种固体润滑剂单独作用㊂6.1㊀Ni基自润滑材料的多元复合固体润滑剂在过去的20年中,已经成功开发了一系列Ni 基的高温自润滑复合材料[58-62]㊂该类由Ni基体与固体润滑剂(Ag-BaF2/CaF2/LaF3-金属氧化物/无机盐)组成的自润滑复合材料,在很宽的温度范围(25~800ħ)和高强度(800ħ,500MPa的抗压强度)并存的情况下表现出优异的润滑性能(图2[59])㊂其良好的润滑特性(摩擦系数(0.23~ 0.34)和低磨损率(10-6~10-5mm3N-1m-1)解释为Ag㊁氟化物㊁无机盐的协同作用㊂当高于500ħ时,氟化物中的低共熔物从基体中逸出,发生由脆性到塑性的转变,可进一步提升润滑效果[60]㊂Zhen等[61]指出由于Ag膜的存在,真空环境中该类复合材料摩擦系数和磨损率均低于大气环境中的摩擦系数和磨损率,是一种很有潜力的航空㊁航天材料㊂此外Zhen等[62]的另一份研究表明,在Ag-BaF2-CaF2固体润滑剂的基础上再添质量分数为0.5%~1%的石墨可以使Ni基复合材料获得稳定的摩擦性能(摩擦系数(0.19~0.29)和磨损率(5.3ˑ10-6~2.3ˑ10-5mm3N-1m-1)㊂404㊀燕山大学学报2023图2㊀Ni 基自润滑复合材料的摩擦学性能Fig.2㊀Tribological properties of Ni basedself-lubricating composites6.2㊀Ni 3Al 基自润滑材料的多元复合固体润滑剂进一步研究表明[63-65],该类由Ni 3Al 基体与固体润滑剂(Ag-CaF 2-BaF 2)和增强材料(Cr,Mo 等金属元素)组成的自润滑复合材料,在从室温到1000ħ的宽温度范围内表现出低摩擦系数(μ<0.4)和低磨损率(10-6~10-4mm 3N -1m -1),且具有令人满意的机械性能(硬度>300HV,抗压强度>1000MP)㊂Zhu 等[65]采用热压烧结法制备的Ni 3Al-6.2BaF 2-3.8CaF 2-12.5Ag-20Cr 复合材料实现了室温到1000ħ的有效润滑(摩擦系数(0.24~0.37)和低磨损率(5.2ˑ10-5~2.3ˑ10-4mm 3N -1m -1))㊂Ni 3Al 基体良好的高温机械性能,Ag㊁氟化物㊁无机盐的协同润滑以及Cr 元素对基体的增强作用使得其可以实现更宽温度范围的有效润滑㊂与Ni 基自润滑复合材料相比,Ni 3Al 基自润滑复合材料则可实现更宽温度范围内的有效润滑,其润滑机理见图3[66]㊂6.3㊀TiAl 基自润滑材料的多元复合固体润滑剂近年来,由于航空㊁航天工业的需要,科研人员制备了一系列基于TiAl 基的高温自润滑复合材料[67-69]㊂该类由TiAl 基体与固体润滑剂(Ag-Ti 3SiC 2-BaF 2/CaF 2)组成的自润滑复合材料,具有硬度高(>500HV)㊁轻质(ρ<3.9g /cm 3)等优点㊂结果表明[66-68],Ag-Ti 3SiC 2-BaF 2-CaF 2润滑体系在宽温度范围内下具有良好的协同效应:低温时,银扩散到金属基体的摩擦表面形成了一层富Ag 的摩擦膜,高温时,由于BaF 2㊁CaF 2的挤压和Ti 的氧化,在摩擦表面形成了一层含氟化物和氧化物的摩擦膜㊂但是,从室温到800ħ的宽温度范围内其摩擦系数(μ>0.3)和磨损率(10-4mm 3N -1m -1)较高,摩擦学性能有待进一步提高㊂图3㊀宽温度范围内Ni 3Al 基自润滑复合材料的润滑机理Fig.3㊀Lubrication mechanism of Ni 3Al based self-lubricating composites in a wide temperature range㊀㊀综上,可得出:1)多元复合固体润滑剂的协同作用在宽温度范围内对改善复合材料的摩擦学性能起重要作用;2)选择高温机械性能优异的金属基体以及适当添加Cr㊁Mo 等金属元素可实现更宽温度范围的有效润滑;3)Ag 与氟化物/无机盐/MAX 金属陶瓷材料等高温固体润滑剂的组合具有极佳的协同润滑作用㊂6.4㊀Fe /Cu /Ag 等金属基自润滑材料的多元复合固体润滑剂㊀㊀人们对多元复合固体润滑剂对Fe [70-71]㊁Cu [72]㊁Ag [73]等金属基体性能影响也进行了大量研究㊂Li 等[71]发现以LaF 3和MoS 2作为润滑组元的Fe 基复合材料可显示出超低的摩擦系数(0.09),。

石墨-铜基复合材料摩擦磨损原理概述引言石墨-铜基复合材料作为一类结构特殊、性能优异的复合材料，在许多领域如摩擦学、密封工程、电气工程、化工工程等得到了广泛的应用。

研究石墨-铜基复合材料的摩擦磨损原理，对于进一步提高其使用性能具有重要意义。

本文将简述石墨-铜基复合材料摩擦磨损原理。

石墨-铜基复合材料简介石墨-铜基复合材料是将石墨与铜粉一起制成的材料，石墨可以增加材料的润滑性能，铜则可以增加材料的强度、硬度和导电性能。

石墨-铜基复合材料具有良好的力学性能、摩擦学性能、导电性能和耐蚀性能等优点，是一种多功能的复合材料。

石墨-铜基复合材料的摩擦学特性石墨-铜基复合材料在摩擦学方面表现出优异的性能。

石墨是一种良好的润滑剂，可以在摩擦过程中减少磨损，降低摩擦系数。

而铜的硬度和强度可以提高石墨-铜基复合材料的耐磨性和承载能力。

石墨-铜基复合材料的摩擦行为主要取决于石墨、铜和摩擦对之间的相互作用。

石墨-铜基复合材料的磨损机理石墨-铜基复合材料的磨损机理主要包括表面磨损和体积磨损两种类型。

表面磨损表面磨损是指石墨-铜基复合材料表面由于与外部环境接触而引起的磨损现象。

表面磨损主要是由于外界环境的腐蚀、摩擦等作用而引起的。

石墨-铜基复合材料的表面磨损可以通过表面处理技术来预防和控制。

体积磨损体积磨损是指石墨-铜基复合材料内部由于摩擦作用而引起的磨损现象。

石墨-铜基复合材料的体积磨损主要是由于表面磨损产生的微小颗粒在磨损过程中的进一步破坏和剥落造成的。

体积磨损对于石墨-铜基复合材料的综合性能具有重要影响。

石墨-铜基复合材料的润滑特性石墨-铜基复合材料的润滑特性主要表现为黏度、摩擦系数和磨损等方面。

石墨的添加可以提高石墨-铜基复合材料的润滑性能，减小摩擦系数和磨损率。

结论本文对石墨-铜基复合材料的摩擦磨损原理进行了简要的概述。

研究石墨-铜基复合材料的摩擦磨损特性，有助于我们更好地理解其内在机理，提高其使用性能，拓展其应用领域。

综述随着科学技术的发展，对材料的要求越来越高，单一组份的材料往往不能满足需要，而多组份的复合材料则显现出其优越性]1[。

铜基复合材料不仅具有高强度和与纯铜相媲美的导电性和导热性，而且还有良好的抗电弧侵蚀和抗磨损能力，是一种在宇宙，电子，电器和微电机等高科技导电节能领域具有广泛应用前景的新型材料]3,2[。

随着机械，电子工业的发展，对这类高强度，高导电复合材料的需求越来越迫切。

现有的铜基复合材料大致可分为连续纤维增强铜基复合材料和非连续增强铜基复合材料]4[。

C-Cu复合材料（即：碳纤维—铜复合材料）是一种新型功能材料，它除f了具有一定强度，刚度外还，还具有导电导热性能好，热膨胀系数小，摩擦系数小，磨损率等许多优异性能，可用作低电压，大电流电机及特殊电机的电刷材料、耐磨材料及电力半导体支持电极材料、集成电路散热材料等]5,2[。

1.1 C-Cu复合材料的简介fC-Cu复合材料具有导电导热性能好，摩擦系数小，磨损率低等优点，作f为新功能材料，一直受到广泛关注。

早期碳纤维铜基复合材料可以追溯到本世纪30年代初，即采用Cu粉和石墨粉用粉末冶金方法制成，被应用于电气领域的铜—石墨材料。

随着碳纤维工业的发展，碳纤维和石墨纤维成为理想的增强材料，60年代开始了碳纤维和石墨纤维增强铜基复合材料的研究，主要是经表面预处理的碳纤维切碎后与铜粉混合，球磨，然后采用冷压烧结或热压扩散烧结制备碳纤维铜基复合材料。

进入70年代，为了改善Cu基体与碳增强体的润湿性及界面结构，广泛开展了碳增强体的表面涂层研究，在碳增强体表面分别获得单一金属，双金属及金属化合物涂层。

同时，制备工艺的研究更趋多元化，连续碳纤维和石墨纤维增强体铜基符合材料得到了发展]7,6[。

70年代末，国内有关科研机构和高等院校相续展开了碳纤维铜基符合材料的实验研究，并取得了重要进展。

纵观碳纤维铜基复合材料的发展过程，其研究工作主要集中在基体合金化，碳增强体的表面处理与界面结构、制备工艺、物理力学性能等方面。

铜基自润滑复合材料综述前言铜及其合金不仅具有优良的导热性、导电性、耐腐蚀性、接合性、可加工性等综合物理、力学性能，而且价格适中，所以铜及其合金作为导电、导热等功能材料在电子、电器工业、电力、仪表和军工中用途十分广泛,是不可缺少的基础材料之。

但是随着科学技术的发展，纯铜和现有牌号铜合金的导电性与其强度及高温性能难以兼顾，不能全面满足航天、航空、微电子等高技术迅速发展对其综合性能的要求。

相对于铜及其合金，铜基复合材料是一类具有优良综合性能的新型结构功能一体化材料．它既继承了紫铜的优良导电性,又具有高的强度和优越的耐磨性，在各种领域都有着广阔的应用前景。

所以研制高强度、高电导率的铜基复合材料是发挥铜的优势、开拓铜的应用领域的一种行之有效的方法。

目前，研制高强度、高导电铜基材料遇到的首要问题是材料的导电性与强度难以兼顾的矛盾，即电导率高则强度低，强度的提高是以损失电导率为代价的。

传统的强化手段(如合金化)由于自身的局限性，在提高铜的强度的同时，很难兼顾铜的导电性。

导电理论指出，固溶在铜基体中的原子引起的铜原子点阵畸变对电子的散射作用较第二相引起的散射作用要强得多。

因此，相对于合金化而言，复合强化不会明显降低铜基体的导电性．而且由于强化相的作用还改善了基体的室温及高温性能．成为获得高强度、高导电铜基复合材料的主要强化手段。

铜基复合材料具有高强度、高耐磨性、高导电性的优势，目前已经成为研究的热点。

铜石墨复合材料不仅含有良好强度、硬度、导电导热性、耐蚀性好等特点的铜，而且还含有良好自润滑性、高熔点、抗熔焊性好和耐电弧烧蚀能力好的石墨，从而使得铜石墨复合材料在摩擦材料、含油轴承、电接触材料、导电材料和机械零件材料领域发挥着重大作用，特别是作为受电弓滑板材料和电刷材料，有着广泛的应用。

提高铜石墨复合材料的综合性能一直以来都是科研人员研究的主要内容。

复合材料定义：复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。

马文林, 刘益超, 王小超, 苏博. 放电等离子烧结Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料摩擦磨损性能研究[J]. 摩擦学学报（中英文）,2024, 44(4): 509−518. MA Wenlin, LIU Yichao, WANG Xiaochao, SU Bo. Friction and Wear Properties of Spark Plasma Sintered Cu-15Ni-8Sn/Graphite Self-Lubricating Composites[J]. Tribology, 2024, 44(4): 509−518. DOI: 10.16078/j.tribology.2023007放电等离子烧结Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料摩擦磨损性能研究马文林1*, 刘益超1,2, 王小超2, 苏 博2(1. 兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070;2. 中国科学院兰州化学物理研究所 中国科学院材料磨损与防护重点实验室，甘肃 兰州 730000)摘 要: 以Cu-15Ni-8Sn 合金为基体，石墨为润滑剂，采用放电等离子烧结技术制备了Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料. 使用扫描电子显微镜、X 射线衍射仪和万能试验机研究了复合材料的微观组织、物相组成和室温力学性能，通过球-盘式摩擦试验机测试复合材料的摩擦磨损性能，利用三维轮廓仪测量材料磨损体积，借助扫描电子显微镜对磨痕形貌进行表征. 结果表明：向Cu-15Ni-8Sn 基体材料中添加石墨后，材料的硬度明显降低；随着石墨含量的提高，复合材料的抗压强度逐渐降低. 当添加质量分数为3%的石墨时，Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的耐磨性最好，磨损率最小为3.0×10−6mm 3/(N·m)，其磨损机理主要以磨粒磨损为主.关键词: 自润滑复合材料; Cu-15Ni-8Sn; 放电等离子烧结; 抗压强度; 磨粒磨损中图分类号: TH117.1文献标志码: A 文章编号: 1004-0595(2024)04–0509–10Friction and Wear Properties of Spark Plasma SinteredCu-15Ni-8Sn/Graphite Self-Lubricating CompositesMA Wenlin 1*, LIU Yichao 1,2, WANG Xiaochao 2, SU Bo2(1. School of Mechanical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Gansu Lanzhou 730070, China;2. Key Laboratory of Science and Technology on Wear and Protection of Materials, Lanzhou Institute ofChemical Physic, Chinese Academy of Sciences, Gansu Lanzhou 730000, China )Abstract : The Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricating composites with different graphite contents were prepared by spark plasma sintering. The Cu-15Ni-8Sn alloy was used as matrix while graphite was used as lubricant. The microstructure,phase composition and room-temperature mechanical property of the composites were investigated using scanning electron microscopy, X-ray diffractometer and universal testing machine. The frictional and wear properties of the composites were tested by ball-disk friction testing machine at 3, 5 and 10 N, respectively. The wear volume of the composites was measured by a 3D profilometer. The wear scar morphology was characterized by a scanning electron microscope. The results showed that the relative density of the Cu-15Ni-8Sn alloy was 93%, the compressive strength was 1 143 MPa. The average friction coefficient and wear rate of the alloy gradually decreased as the load increases and achieves to its minimum 0.5, when the load was 10 N. The minimum wear rate was 3.0×10−4mm 3/(N·m) and its wear mechanism was mainly on adhesive wear. The relative density of Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricating composites increased with the increase of graphite content while the maximum fracture strain and compressive strength of the composites showed an opposite trend. When the graphite content was 5%, the compressive strength of the compositeReceived 8 January 2023, revised 17 April 2023, accepted 18 April 2023, available online 19 April 2023.*Corresponding author. E-mail: ***************.cn, Tel: +86-136********.This project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51765029).国家自然科学基金项目(51765029)资助.第 44 卷 第 4 期摩擦学学报（中英文）Vol 44 No 42024 年 4 月TribologyApr, 2024was 614.6 MPa. This was due to the increase graphite content breaking the continuity of the internal matrix material. The hardness firstly increasing and then decreasing with the increase of graphite content maybe because a three dimensional microstructure was formed in the composite of 3% graphite content. In particular, the graphite content had little influence on the yield strength of the composites. The friction coefficient of the materials reduced significantly after adding graphite. The influence of load on the friction coefficient of the composites was little, and the friction coefficient of the composites with different graphite contents was about 0.1~0.2. The addition of graphite also decreased the wear rate of the Cu-15Ni-8Sn alloy by about two orders of magnitude, however, the composites had better wear resistance. Compared with other composites with graphite content, the Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricating composite with a mass fraction of 3% graphite had the highest hardness and the best wear resistance, and that the wear rate of the composite was the most stable under different loads, with a minimum wear rate of 3.0×10−6 mm3/(N·m). The wear mechanism of the composite was mainly based on abrasive wear and stripping of graphite lubrication film. The excellent friction and wear properties of Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricating composites are attributed to the formation of a more complete graphite-rich lubricating film during the friction process, and the complete graphite lubricating film plays an great effect of friction and wear reduction on the surface.Key words: self-lubricating composites; Cu-15Ni-8Sn; spark plasma sintering; compression strength; abrasive wearCu-15Ni-8Sn合金是1种典型的基于调幅分解的沉淀析出强化型铜基合金[1-4]，其具有高强度、高硬度、高弹性、优异的耐磨性、时效变形小和优良的机械加工性能等优点，被大量用于航空航天、船舶等领域的轴承材料[5-10]. 近年来，国内外学者对Cu-15Ni-8Sn 合金的热处理工艺、显微组织、力学性能和摩擦学性能进行了大量研究. 在材料时效的处理方面，诸多研究表明Cu-15Ni-8Sn合金的时效处理过程可分为3个阶段[11-14]：第1阶段，发生调幅分解形成富锡区和贫锡区交替出现的调幅组织；第2阶段，析出DO22型或L12有序强化相；第3阶段，析出DO3不连续沉淀相. 此外，Cu-15Ni-8Sn合金的摩擦学性能被大量报道，成金娟等[15]通过块-环式摩擦试验研究了粉末冶金Cu-15Ni-8Sn合金在油润滑条件下的摩擦磨损行为，结果表明：当载荷为50~700 N，摩擦速度为0.05~2.58 m/s时，合金的摩擦系数小于0.14；Singh等[16]通过销-盘式摩擦试验研究了Cu-15Ni-8Sn合金在干摩擦条件下的摩擦磨损行为与显微组织，发现在摩擦过程中界面发生材料转移，在摩擦对偶表面出现了1层高度变形的亚表层.迄今为止，关于以Cu-15Ni-8Sn作为基体合金的自润滑复合材料的研究较少，并且报道的Cu-15Ni-8Sn合金的制备也多以粉末冶金、熔铸为主，而在粉末冶金制备技术中使用放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering，简称SPS)制备Cu-15Ni-8Sn合金材料的研究鲜见报道. 放电等离子烧结是1种具有快速、节能、环保和致密性好等优点的粉末冶金制备技术[17-20]. 该技术主要以释放脉冲电能，通过放电过程瞬间产生的等离子体加热材料粉末颗粒，从而实现材料的快速烧结.本文中以纯Cu、Ni、Sn粉末和胶体石墨为原材料，采用SPS技术制备出不同石墨含量的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料，探究时效对Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的显微组织及力学性能的影响. 通过对复合材料的摩擦学性能测试，分析Cu-15Ni-8Sn基体合金和Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的摩擦磨损机理，确定减摩、耐磨性能最佳的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料组分含量和SPS制备工艺.1 试验部分1.1 材料与制备采用质量分数>99.7%，粒度<48 μm的电解铜粉和质量分数>99.9%，粒度<30 μm的电解镍粉，质量分数>99.8%，粒度<48 μm的锡粉，质量分数>99.9%，粒度小于35 μm的胶体石墨，制备不同石墨含量的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料. 将添加石墨质量分数为0%、1%、2%、3%、4%和5%的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料分别命名为CNS、CNS-1G、CNS-2G、CNS-3G、CNS-4G和CNS-5G，其组分配比列于表1中.粉末由精度为0.001 g的天平称取，将称取后的材料粉末置于不锈钢罐中，按球料质量比3:1在全方位行星式球磨机中混合10 h. 将球磨处理后的材料粉末装入直径25 mm的石墨模具中，然后在850 ℃条件下的SPS热压烧结炉中热压保温30 min，烧结压力为10 MPa，制得Φ25 mm×10 mm的圆柱块体材料. 将烧结好的样品经过打磨处理后放入箱式炉中，在400 ℃进行3 h的时效处理. 将时效处理后的样品加工成直径25 mm，高3 mm的圆柱，随后使用80~2000目的砂纸打磨，将打磨处理后的样品经粒度为2.5 μm的金刚石研磨膏抛光，使得样品表面粗糙度一致. 将抛光后的试验样品510摩擦学学报（中英文）第 44 卷放入无水乙醇中超声清洗5 min，以备后续试验使用. 1.2 试验方法采用阿基米德法测得Cu-15Ni-8Sn/石墨复合材料的密度，每种样品测试3组取平均值. 按照GB/T 231.1-2018金属材料布氏硬度试验方法，使用HBS-62.5 kg数显小负荷布氏硬度计测试样品的布氏硬度，其中施加载荷625 N，测试压头直径2.5 mm，保荷时间30 s. 每组材料测试3个样品，每个样品测试3次，求取平均值. 按照GB/T 7314-2017金属材料室温压缩试验方法测定复合材料的屈服强度、抗压强度和极限应变. 试验数据由WDW-200型微机控制电子式万能试验机测得，压缩速率为0.2 mm/min，样品为直径5 mm，长度10 mm的圆柱. 每组样品重复测试3次，所得屈服强度、极限应变和抗压强度均为3次测量值的平均值.在HT-1000型摩擦试验机上进行材料的摩擦磨损试验，摩擦方式为球-盘式. 试样对偶材料为GCr15钢球，盘样品为制得的Cu-15Ni-8Sn合金和Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料. 复合材料样品为直径25 mm，厚度3 mm的圆柱，试验前使用无水乙醇超声清洗3~5 min.摩擦磨损试验条件：载荷3、5和10 N，摩擦半径6 mm，摩擦时间30 min，滑动线速度0.25 m/s，试验温度为室温. 摩擦系数由摩擦试验机自带计算机在试验过程中即时记录，进行3次重复试验，摩擦系数取平均值. 磨损体积由MicroXAM-800非接触式光学轮廓仪测量，每个样品的磨痕测试3个位置点，所得磨损率求取平均值.磨损率计算公式：磨损率=磨损体积/(载荷×滑动距离).采用X射线衍射仪(XRD，Empyre，panalytical)分析复合材料的物相组成. 使用带有能谱分析仪(EDS)的电子显微镜(SEM，JSM-5600LV，JEOL)对材料的磨痕表面、磨损形貌和元素分布进行表征.2 结果与讨论2.1 时效处理图1所示为Cu-15Ni-8Sn合金硬度随时效时间的变化关系，可见Cu-15Ni-8Sn合金的硬度随时效时间的增加呈现先增后减的趋势，在时效3 h时达到峰值223.3 HB. 相比未时效处理合金硬度提高了83.9 HB，表明适当的时效处理能使Cu-15Ni-8Sn合金的硬度显著提高，因此，确定Cu-15Ni-8Sn/石墨复合材料的最佳时效时间为3 h.0123 3.5Aging time/hHardness/HB30025020015010050Fig. 1 Hardness of Cu-15Ni-8Sn alloy at different aging time 图 1 Cu-15Ni-8Sn合金硬度随时效时间的变化表2所列为Cu-15Ni-8Sn合金和不同石墨含量的复合材料在时效前后硬度和密度变化，可以看出时效处理对于复合材料力学性能的影响显著. 在时效前，Cu-15Ni-8Sn/石墨复合材料的硬度低于基体合金的硬度，并且复合材料的硬度受石墨含量的影响较小. 基体合金和复合材料经过时效处理后硬度显著提高，并且复合材料的硬度明显低于基体合金的硬度，基体合金的硬度为223.3 HB，CNS-3G复合材料的硬度最高达到179.5 HB. 这可能是由于当石墨含量增加至一定程度时，材料内部的石墨团聚现象有利于材料内部三维连续性网络结构的产生，这种三维网络结构使复合材料的硬度得到改善[21-22]，同时石墨与合金基体的润湿性较差，二者之间的结合力较差，复合材料中的石墨对合金基体起到割裂作用，进而导致复合材料随着石墨含量的增加硬度降低. 随着石墨含量的增加，复合材料的密度逐渐降低，同时随着石墨含量的增加，复合材料的密度逐渐接近理论密度. 相比一般粉末冶金工艺制备的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料[23]，放电等离子烧结制备的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的硬度提高约4倍，密度提高约1.4 g/cm3.2.2 显微组织图2所示为时效后的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的XRD图谱. 由图2可知，Cu-15Ni-8Sn合金主要是由铜的固溶体和CuNi2Sn相组成，由于铜的含量表 1 材料的标准化学成分Table 1 Standard chemical composition of the materialsMaterialsMass fraction/%Cu Ni Sn GraphiteCNS771580CNS-1G761581CNS-2G751582CNS-3G741583CNS-4G731584CNS-5G721585第 4 期马文林, 等: 放电等离子烧结Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料摩擦磨损性能研究511较多，会有少量铜以单质形式存在. 不同石墨含量的复合材料主要由铜的固溶体、CuNi 2Sn 和石墨相组成，其中CuNi 2Sn 是复合材料在时效过程中的析出相. 图3所示为CNS-3G 复合材料的微观形貌和元素分布图.由图3可知，大部分Cu 、Ni 、Sn 元素以固溶体的形式均匀分布在复合材料中，如图3中的灰色组织所示. 图3中的白色组织为富含Ni 和Sn 的区域，结合XRD 图谱可以推测出该组织为CuNi 2Sn 相. 黑色区域为石墨相，且一部分石墨均匀分布于基体材料当中，一部分在基体材料中存在团聚现象，这是因为石墨颗粒不与基体材料发生反应，且石墨与合金基体的润湿性较差导致的[24].2.3 力学性能图4(a)所示为Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的应力-应变图，石墨含量的增加使得复合材料的压缩极限应变显著降低，塑性变差. Cu-15Ni-8Sn 合金具有较高的抗压强度，大约为1 143 MPa ，同时呈现出比较高的塑形，但石墨的添加使得复合材料的抗压强度显著降低. 图4(b)所示为Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的屈服强度. 由图4可知，Cu-15Ni-8Sn 合金的屈服强度为721.4 MPa ，石墨的添加降低了材料的抗压强度、屈服强度及压缩极限应变，当石墨质量分数小于5%时，复合材料的屈服强度的变化较小，复合材料表 2 不同石墨含量的材料硬度和密度Table 2 Material hardness and density of different graphite contentCompositionHardness/HBMeasured density/(g/cm 3)Relative densityPorosity Before aging After aging CNS 139.4±6.8223.3±5.88.4±0.0293.0%7.0%CNS-1G 108.9±6.4165.4±8.08.1±0.0195.0% 5.0%CNS-2G 118.7±8.9168.8±7.88.1±0.0397.6% 2.4%CNS-3G 122.4±8.1179.5±7.47.9±0.3297.5% 2.5%CNS-4G 113.4±6.5164.0±4.17.8±0.0399.4%0.6%CNS-5G118.9±8.1161.9±7.27.6±0.0799.4%0.6%20402θ/(°)R e l a t i v e i n t e n s i t y6080100CNS-5G ♠ Cu/Cu solid solution♣ Graphite ◆ CuNi 2SnCNS-4GCNS-3GCNS-2GCNS-1GCNSFig. 2 XRD patterns of Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricating composites material 图 2 Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的XRD 图谱Fig. 3 SEM-SEI and the corresponding EDS mappings of CNS-3G composite material图 3 S-3G 复合材料的二次电子像和元素分布图512摩擦学学报（中英文）第 44 卷的抗压强度为614.6 MPa ，屈服强度为497.0 MPa. 这可能是由于石墨含量增大，石墨与合金的接触面积增多，二者界面的结合力较弱，石墨对合金基体的割裂作用增大[25]，导致合金力学性能降低.2.4 摩擦磨损性能石墨含量对Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料摩擦性能的影响规律如图5所示. 图5(a1~a3)分别显示了Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料在3、5和10 N 载荷下的摩擦系数随滑动时间的变化趋势. 如图5(a)所示，CNS 合金在3 N 载荷下的摩擦系数曲线波动较为严重，随着载荷的增加，其波动幅度逐渐减小. 与之相比，添加石墨的复合材料均表现出非常稳定的摩擦曲线，并且其稳定程度随载荷增加更为明显，这是因为载荷增大可能增加复合材料亚表面塑性变形程度，从而使石墨颗粒更容易随基体变形被挤压至表面，在摩擦界面形成连续性程度更好的润滑膜[26-27]. 此外，复合材料在所有载荷条件下的平均摩擦系数相较CNS 合金均有大幅度降低，这说明在摩擦过程中，Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料中的石墨被基体材料挤压到摩擦表面，被摩擦对偶拖至接触表面并成功形成润滑膜和转移膜[28-30]. 不同载荷下，各种Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的平均摩擦系数(分布在0.09~0.13之间)均表现出很好的减摩特性；只有当载荷为5 N ，CNS-5G 复合材料平均摩擦系数有所升高(约0.16)，可能是由5Strain/%S t r e s s /M P a1 4001 0001 200800600400101520253035402000C NS Y i e l d s t r e n g t h /M P a600700800400500300200C N S -1G C N S -2G C N S -3G C N S -4G CN S -5G100CNS CNS-1G CNS-2G CNS-3G CNS-4G CNS-5G (a)(b)Fig. 4 Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricated composites: (a) stress-strain diagram; (b) yield strength图 4 Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料：(a)应力-应变图；(b)屈服强度1.82.01.61.41.21.00.80.60.40.20.0501015Time/minF r i c t i o n c o e f f i c i e n t2025301.82.01.61.41.21.00.80.60.40.20.0501015Time/minF r i c t i o n c o e f f i c i e n t2025301.82.01.61.41.21.00.80.60.40.20.0501015Time/minF r i c t i o n c o e f f i c i e n t2025301 4001 2001 0008001612840CNS CNS -1G CNS -2G CNS -3G CNS -4G CNS-5G W e a r r a t e /[10−6 m m 3/(N ·m )]46045037036050403020100CNS CNS -1G CNS -2G CNS -3G CNS -4G CNS-5G W e a r r a t e /[10−6 m m 3/(N ·m )]340300320280260100CNS CNS -1G CNS -2G CNS -3G CNS -4G CNS-5GW e a r r a t e /[10−6 m m 3/(N ·m )]—— CNS —— CNS-1G —— CNS-2G —— CNS-3G —— CNS-4G —— CNS-5G—— CNS —— CNS-1G —— CNS-2G —— CNS-3G —— CNS-4G —— CNS-5G—— CNS —— CNS-1G —— CNS-2G —— CNS-3G —— CNS-4G —— CNS-5G(a1)(a2)(a3)(b1)(b2)(b3)Fig. 5 Friction coefficient and wear rate of Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricating composites: (a1, b1) 3 N; (a2, b2) 5 N; (a3, b3) 10 N图 5 Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率：(a1, b1) 3 N ；(a2, b2) 5 N ；(a3, b3) 10 N第 4 期马文林, 等: 放电等离子烧结Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料摩擦磨损性能研究513于石墨含量较大，材料承载能力下降所致.Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的磨损率变化趋势如图5(b)所示，图5(b1~b3)分别显示了在3、5和10 N 条件下复合材料的磨损率，发现CNS合金随着载荷的增加，其磨损率逐渐降低. 当载荷为3 N时，含石墨的复合材料磨损率均高于3.6×10−6 mm3/(N·m)，当载荷为5 N时，CNS-3G复合材料磨损率最小，为3.0×10−6 mm3/(N·m)，说明了CNS-3G复合材料表现出良好的润滑作用；而CNS-5G复合材料的磨损率增至10−5 mm3/(N·m)数量级. 当载荷为10 N时，CNS-1G复合材料的磨损率最小为2.3×10−6 mm3/(N·m)，而其他不同石墨含量的复合材料磨损率大于3.6×10−6 mm3/(N·m). 结合图5(b)所示的不同载荷下复合材料磨损率的变化趋势，发现CNS-3G 复合材料的磨损率保持在3×10−6~4×10−6 mm3/(N·m)之间，其磨损率相比其他不同石墨含量的复合材料磨损率较稳定，同时添加石墨后的复合材料磨损率相比CNS合金明显降低几个数量级. 与常规粉末冶金工艺制备出的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料[23]相比，SPS制备出的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料在干摩擦条件下的摩擦系数相当，磨损率属于同一数量级，即10−6 mm3/(N·m)，结果表明由SPS烧结技术所制备出的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料减摩耐磨效果良好.2.5 磨损机理为了分析复合材料在跑合阶段与稳定阶段的磨损机理，分别对载荷5 N条件下进行3和30 min摩擦的CNS-3G自润滑复合材料磨损表面进行微观分析，如图6所示. 观察摩擦3 min后[图6(a)]的磨痕，其表面石墨和基体合金仍有明显分界，存在大面积团状、絮状等不规则状石墨，且磨痕表面的犁沟较多，表明在摩擦跑合初期磨损面上的富石墨润滑层还未完全形成，此时复合材料磨损主要以磨粒磨损为主. 而摩擦30 min 后的磨损表面[图6(b)]光滑、完整，石墨与基体之间的界面不可见，并且无明显磨粒磨损痕迹. 结合摩擦系数与磨损率，说明此时磨损表面上已建立了完整的润滑膜，这种建立过程一方面得益于摩擦起始阶段摩擦对偶表面微凸体犁沟作用易将石墨周围的较薄基体材料部分撕裂，并沿着滑动摩擦方向将撕裂的材料颗粒镶嵌入石墨和铜合金基体的界面[22]. 另一方面，石墨颗粒在摩擦过程中受到挤压、剪切等作用，逐渐平铺于摩擦表面，可以预见后续的磨损主要以表面富石墨层的剥层和断裂为主.为分析Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料在不同载荷下的磨损机理，对比分析CNS合金、CNS-3G和CNS-5G复合材料在载荷为3、5和10 N条件下的磨痕形貌.从图7(a1~a3)可以看出，CNS合金在3、5和10 N下的磨痕宽度分别约1.3、1.5和1.8 mm. 在各个载荷下合金磨痕表面具有类似形貌，均较为粗糙，有明显的塑性流动现象，并伴随材料撕裂和断裂痕迹. 而含石墨复合材料与之形成鲜明对比[图7(b~c)]，磨痕宽度明显减少至约0.3~0.4 mm，并且磨痕区域内普遍较为光滑，材料塑性变形基本不可见. 随载荷的增加，复合材料磨痕区域中的石墨与基体界面逐渐不可见，特别是在10 N载荷下这一点非常明显[图7(b3~c3)]；结合图8所示磨痕内外区域的拉曼光谱检测，证实了此时CNS-3G和CNS-5G复合材料磨痕区域均形成连续程度较高的表面润滑层. 进一步对比CNS-3G和CNS-5G可以发现，载荷3 N时两者磨痕宽度相当，载荷增加到5和10 N 时，CNS-5G的磨痕皆宽于CNS-3G，这与图5(b)中两者磨损率的差异相一致.进一步观察磨痕区域的微观形貌，发现合金与Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的磨损表面差异明Fig. 6 SEM micrographs of wear surfaces of CNS-3G composite: (a) friction for about 3 min; (b) friction for about 30 min 图 6 CNS-3G复合材料磨损表面形貌的SEM照片：(a)摩擦3 min后；(b)摩擦30 min后514摩擦学学报（中英文）第 44 卷显. 图9(a1~a3)分别给出了CNS 合金在摩擦载荷3、5和10 N 条件下的磨痕表面形貌，合金表面均发生了严重的塑性变形，表面材料流动迹象明显并随载荷增大愈发严重，某些区域伴随严重的撕脱，同时表面还附着片层状磨屑和黏着坑，因此CNS 合金的主要磨损机理为黏着磨损.图9(b1~b3)所示分别为复合材料CNS-3G 在3、5和10 N 下的磨痕表面形貌的SEM 照片，相比CNS 合金，其磨痕表面均较为平整；当摩擦载荷为3 N 时，磨痕表面有较多细微的犁沟，属轻微的磨粒磨损. 当载荷增加为5和10 N 时，基体中石墨更易被挤压变形，并在摩擦表面形成更加完整的润滑膜[31]. 可以看出整个磨痕Fig. 7 SEM micrographs of worn surfaces of Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricating composites:(a1~a3) CNS; (b1~b3) CNS-3G; (c1~c3) CNS-5G图 7 Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料的磨痕表面形貌的SEM 照片：(a1~a3) CNS ；(b1~b3) CNS-3G ；(c1~c3) CNS-5G200Raman shift/cm −1R e l a t i v e i n t e n s i t y /a .u .6 0004 0005 0003 0002 000400600800 1 0001 200 1 4001 000(a)200Raman shift/cm −1R e l a t i v e i n t e n s i t y /a .u .4 0005 0003 0002 000400600800 1 0001 200 1 4001 000(b)◆ Graphite◆ GraphiteIn the worn surfaceOutside the surfaceIn the worn surfaceOutside the surfaceFig. 8 Raman spectra of CNS-3G and CNS-5G: (a) CNS-3G; (b) CNS-5G 图 8 CNS-3G 和CNS-5G 磨痕区域内外拉曼图谱：(a) CNS-3G ；(b) CNS-5G第 4 期马文林, 等: 放电等离子烧结Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料摩擦磨损性能研究515表面更为光滑，犁沟痕迹几乎不可见，个别区域能观察到润滑层断裂痕迹，说明此时复合材料磨损表面发生了轻微的剥层现象.图9(c1~c3)所示为CNS-5G复合材料在3、5和10 N 载荷条件下的磨痕表面形貌，当摩擦载荷为3 N，磨痕表面出现较多沿着材料滑动方向的犁沟，这是典型的磨粒磨损机制，其主要是对偶钢球表面微凸体在摩擦过程中对材料表面不断犁削造成的. 当载荷增至为5 N 时，其磨痕区域内大部分区域较为光滑[图7(c2)]，结合此时摩擦系数(约0.16)，说明也形成了含石墨润滑层，但有较多区域的润滑膜出现剥层和断裂现象，对比CNS-3G复合材料，石墨含量的增加降低了复合材料强度，同时其表面机械润滑层也更易产生较严重的疲劳破坏和剥层磨损，这与图5(b2)中的CNS-5G的磨损率突然增大相符. 而当载荷增至10 N时，表层疲劳断裂、剥层磨损的程度明显降低，且出现较多的三体磨损痕迹，此时材料磨损率降低至与CNS-3G相当[图5(b3)].金属/石墨材料一般存在着临界载荷，当载荷超过临界值时，使材料发生严重的剥层磨损后，材料表面的润滑膜难以维系[26]. 结合上述分析，石墨含量较高的复合材料更适合在高载工况下使用.3 结论采用放电等离子烧结技术制备了Cu-15Ni-8Sn合金和不同石墨含量的Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料，通过对二者的力学性能、摩擦学性能进行研究，得出以下结论：a. 复合材料的密度、硬度和抗压强度随石墨含量的增加而降低，当石墨质量分数达到3%时，石墨与铜合金基体所构成的网络结构连续性最好，因此CNS-3G 复合材料硬度最大.b. 相较基体Cu-15Ni-8Sn合金，添加石墨复合材料具有优异的摩擦和磨损表现. 添加石墨后，磨损率相比未添加石墨的合金材料磨损率降低2个数量级.Fig. 9 SEM micrographs of the worn surfaces of the Cu-15Ni-8Sn/graphite self-lubricating composites:(a1~a3) CNS; (b1~b3) CNS-3G; (c1~c3) CNS-5G图 9 Cu-15Ni-8Sn/石墨自润滑复合材料磨损表面的SEM照片：(a1~a3) CNS；(b1~b3) CNS-3G；(c1~c3) CNS-5G516摩擦学学报（中英文）第 44 卷特别在石墨质量分数为3%时，Cu-15Ni-8Sn/石墨复合材料在各个载荷条件下均表现出理想的摩擦系数与磨损率.c. 基体Cu-15Ni-8Sn 合金的磨损机理为严重的塑性变形和材料黏着撕裂；质量分数为3%的石墨在轻载(3 N)下以轻微磨粒磨损为主，在中高载荷(5和10 N)下为润滑层的轻微剥层；当石墨质量分数为5%时，其摩擦层在中载下(5 N)更容易产生疲劳断裂和剥层磨损，而在高载(10 N)时表现较好，磨损机理以轻微的剥层和三体磨粒磨损为主.参 考 文 献Peng Guangwei, Gan Xueping. 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润滑条件下金刚石薄膜及石墨／金刚石复合薄膜的摩擦学性能
本文报告了润滑条件下金刚石薄膜及石墨/金刚石复合薄膜的
摩擦学性能。

通过实验，我们发现这两种结构的摩擦系数相对较低。

首先，我们在润滑剂润湿的环境中测试了金刚石薄膜的摩擦性能。

结果表明，该薄膜的摩擦系数小于0.1。

该值非常低，接
近于理想摩擦系数0。

此外，金刚石薄膜具有强烈的耐磨性，
可以抵抗高温和冲击力。

其次，我们利用变频器试验法研究了一层石墨/金刚石复合薄
膜的摩擦学性能。

实验测试结果表明，石墨/金刚石复合薄膜
具有极低的摩擦系数，约为0.02。

而且，复合薄膜具有优异的防腐性能，可以有效抗潮，耐水性能较好。

此外，复合薄膜还具有良好的热塑性、优异的耐热性和良好的热特性，可以有效抑制热膨胀和应力集中，并显示出优异的抗震性。

总之，润滑条件下，金刚石薄膜和石墨/金刚石复合薄膜都具
有良好的摩擦性能，其摩擦系数很低，而且具有优异的耐磨性、防腐性和耐水性。

因此，这种薄膜能够有效应用于航空、核工业、冶金以及船舶等行业，可以大大提高抗磨损性能并提升工作效率。