納米石墨微片含量對納米石墨微片/碳納米管/銀復合材料電摩擦磨損性能的影響

王 娟

（安徽工業經濟職業技術學院，安徽 合肥 230051）

納米石墨微片含量對納米石墨微片/碳納米管/銀復合材料電摩擦磨損性能的影響

王 娟

（安徽工業經濟職業技術學院，安徽 合肥 230051）

采用不同含量的納米石墨微片制備納米石墨微片-碳納米管-銀復合材料，研究納米石墨微片含量對復合材料電摩擦磨損性能的影響。實驗發現，復合材料隨磨損時間的延長，摩擦系數均不斷減小，最終趨于穩定隨著納米石墨微片含量的增加。隨著復合材料中納米石墨微片含量的增加，摩擦系數和磨損量均有下降趨勢，接觸電壓降則相反。載流條件下，電摩擦系數大于機械摩擦系數且電磨損量也大于機械磨損量。

納米石墨微片含量；摩擦系數；磨損量；接觸電壓降

碳納米管(CNT)和納米石墨微片（Graphene）自1991年和2004年被人們發現的那天起就一直備受矚目。碳納米管是一種長徑比極大的有特殊結構的一維量子材料，它的徑向尺寸可達到納米級，軸向尺寸為微米級，具有很大的比強度。納米石墨微片是一種特殊的二維碳材料，平面由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格，厚度方向只有一個碳原子。一維碳納米管、二維納米石墨微片是碳納米材料家族的骨干，在一定條件下可以在形式上發生轉化[1]。

作為優良的一維和二維碳材料，碳納米管和納米石墨微片分別在力學性能、導電性和導熱性等方面體現出了一維的和二維的各向異性。將納米石墨微片和碳納米管共同用于復合材料將有利于結合兩者的優點[2,3]，形成三維網狀結構，通過兩者之間的協同效應，使復合材料的各向同性導熱性[4]、各向同性導電性[5]、三維空間微孔網絡[6～8]等特性表現出比任意一種單一材料更加優異的性能。納米石墨微片/碳納米管復合材料越來越多的被人們所應用，也使得納米石墨微片/碳納米管復合材料的制備和應用得到更加廣泛的關注。本文采用粉末冶金法制備納米石墨微片/碳納米管/銀復合材料，研究納米石墨微片含量對納米石墨微片/碳納米管/銀復合材料電摩擦磨損性能的影響，期望對其廣闊的發展前景進行論證。

1 實驗

實驗所用銀粉粒度320目，純度≥98wt%；納米石墨微片厚度4～20nm，直徑5～10μm，純度≥99.5%（形貌如圖1所示）；碳納米管直徑10～30nm，長度5～30μm，純度≥95%。采用粉末冶金法制備 4種納米石墨微片含量不同的納米石墨微片-碳納米管-銀復合材料，具體成分如表1所示。

圖1　納米石墨微片掃描圖

表1　樣品成分表

摩擦磨損實驗按照國家標準 GB12175-90在自制銅質對磨環上進行。分別采用背散射、SEM和XPS觀察分析試樣磨損前后的顯微組織和物相。

2 實驗結果及討論

圖2 復合材料的顯微組織

圖2是復合材料樣品3的背散射電子圖像，從圖中可以看出，碳納米管和納米石墨微片均勻分布著銀基體上，沒有出現團聚現象，保證了金屬基體的連續性。

2.1復合材料的摩擦系數

圖3 機械摩擦系數與磨損時間關系曲線

圖3是4個樣品的摩擦系數與磨損時間的關系曲線。從圖中可以看出，4個樣品的摩擦曲線圖趨勢相同：磨損初期，摩擦系數較大，而后期摩擦系數趨于恒定。

這是因為樣品中的銀含量較多，最初的樣品與對磨環的摩擦接觸中，主要是銀與銅接觸面積較多，而具有自潤滑作用的碳納米管和納米石墨微片，與對磨環接觸面積小，此時摩擦以“金屬-金屬”間的摩擦為主要形式，摩擦系數較大。

隨著摩擦磨損的持續進行，碳納米管、納米石墨微片具有特殊結構，層與層之間的化學鍵結合較弱，較易斷裂，因此它們在摩擦磨損過程中將逐漸“涂抹”在對磨環上，形成一層具有潤滑作用的膜，摩擦形式不再是“金屬-金屬”為主，取而代之的是“金屬-潤滑膜-金屬”，這也解釋了隨著時間的延長，摩擦系數將逐漸下降并趨于一定值。

對比圖 3中四個樣品的摩擦系數可以看出，隨著樣品中納米石墨微片含量的增加，摩擦系數在不斷減小。這是因為納米石墨微片具有天然石墨的晶體結構——具有杰出的潤滑作用，更易形成穩定的潤滑膜，且潤滑膜中的碳含量更高，因此摩擦系數更低。

圖4　10A/cm2,10m/s條件下，摩擦系數隨磨損時間變化曲線

圖4是4個樣品在載流條件下（I=10A/cm2）的摩擦系數，圖中顯示了與圖 3類似的規律，且對比兩圖可發現，載流條件下的摩擦系數更大。這是由于材料表面粗糙度的存在，試樣與對磨環之間的真實接觸面積遠遠小于試樣的真實面積。當電流通過接觸表面時，產生接觸電阻，導致接觸處溫度升高，材料中的自潤滑成分會產生氧化，潤滑膜難以形成，“金屬-金屬”型潤滑占主要地位，導致復合材料摩擦系數增加。

2.2復合材料的磨損量

圖5　機械磨損量隨時間變化關系曲線

圖6　磨損初期的粘著現象

圖7　磨損后期完整潤滑膜的掃描圖

圖5顯示了機械摩擦時的磨損量隨時間變化關系，對比4個樣品可以看出，隨著樣品中納米石墨微片含量的增加，樣品的磨損量逐漸減小。前面提到，整個摩擦磨損過程伴隨著潤滑膜的形成，磨損形式由“金屬-金屬”型為主的粘著磨損過渡為“金屬-潤滑膜-金屬”型。磨損前期以粘著磨損為主，樣品表面明顯的粘著撕裂現象，有輕微犁溝（如圖6所示）。在摩擦過程中，大量彌散分布的納米石墨微片可以起到增強基體，釘扎位錯的作用，阻礙位錯的運動，提高位錯滑移所需要的切應力。同時納米石墨微片是形成潤滑膜的主要成分，經歷了初期的粘著磨損后，潤滑膜逐漸形成，磨損表面隨之變得平整光滑（如圖7所示）。而樣品中納米石墨微片含量較小時，粘著現象較為嚴重，難以形成完整的潤滑膜，因此磨損量較大。

圖8　10A/cm2,10m/s條件下，磨損量與磨損時間關系曲線

載流條件下，摩擦過程中由于摩擦和電流的共同作用，摩擦副產生大量的熱，摩擦副接觸表面局部溫度急劇升高，材料塑性變形加大，破壞摩擦副之間的潤滑膜，出現粘著磨損，并伴有局部大量的粘著坑和粘著塊，都證明了電磨損過程中出現了較為嚴重的粘著磨損，從而解釋了同一成分試樣其電磨損量大于機械磨損量（如圖8所示）。

2.3接觸電壓降(10A/cm2, 10m/s)

接觸電壓降是電接觸材料的主要動態特性之一， 同滑動接觸的多種因素相關，在磨損開始階段，磨損量較小，潤滑膜覆蓋范圍很小，潤滑膜產生的電阻小，此時的接觸電壓降較小。經過一段時間的磨損后，材料中的納米石墨微片和碳納米管吸附在接觸面上，潤滑膜的覆蓋面積增大，電壓降有所增加。當潤滑膜增厚至一定厚度時，由于碳納米管的研磨作用，阻止潤滑膜的進 一步增厚，使潤滑膜處于動態平衡狀態，因此電刷的電壓降趨于穩定。材料中的納米石墨微片含量越高形成的潤滑膜越厚，接觸電壓降越大（如圖9所示）。

圖9　10A/cm2,10m/s條件下的接觸電壓降與磨損時間關系

3 結論

（1）機械摩擦時，摩擦系數前期較大，隨后逐漸減小并趨于穩定。電磨損時，同樣樣品之間比較發現，電摩擦系數大于機械摩擦系數。且隨著納米石墨微片含量的增加，復合材料樣品的摩擦系數有減小趨勢。

（2）隨著樣品中納米石墨微片含量的增加，磨損量不斷降低，且由于電磨損過程中潤滑膜容易受到破壞，“金屬-潤滑膜-金屬”型摩擦占次要地位，“金屬-金屬”間的粘著磨損占主體地位，相同成分的樣品其電磨損量大于機械磨損量。

（3）由于隨著樣品中納米石墨微片含量的增多，更容易在樣品與對磨環之間形成潤滑膜，因此在電摩擦磨損過程中，接觸電壓降較大。

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Effect of graphite nanosheets content on graphite nanosheets / nanotube / silver composite electrical friction and wear properties

Using different amounts of graphite nanosheets prepared graphite nanosheets - carbon nanotubes - silver composites, graphite nanosheets research content of the composite material for an electrical influence on friction and wear properties. It was found that the composite material with the extension of time of wear, friction coefficient decreasing and eventually stabilized with the increasing content of graphite nanosheets. With the increase of the composite graphite nanosheets content, the friction coefficient and the wear volume has decreased, contact voltage drop and vice versa. Under conditions of the carrier, electric friction coefficient greater than the mechanical wear of the friction coefficient and electrically also greater than the mechanical wear.

Graphite nanosheets content; friction coefficient; the amount of wear; contact voltage drop

TQ16

A

1008-1151(2015)11-0052-03

2015-10-10

安徽高校省級科學研究項目（KJ2013B040）。

王娟（1985－），女，安徽淮南人，安徽工業經濟職業技術學院副教授，博士。