受流條件下碳碳復(fù)合材料摩擦學(xué)特性研究

受流條件下碳碳復(fù)合材料摩擦學(xué)特性研究

在流輸條件下，摩擦磨損是指車間中的摩擦副產(chǎn)品，在有電流通過(guò)的情況下，摩擦磨損行為。其主要應(yīng)用背景之一就是電力機(jī)車,包括高速鐵路系統(tǒng)和城市公共交通中電車的電力傳輸系統(tǒng)。因此,本文作者使用碳碳復(fù)合材料和鉻青銅作配副,模擬電力機(jī)車接觸網(wǎng)中受電弓滑板和導(dǎo)線的服役條件,在HST-100摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上研究了碳碳復(fù)合材料在受流條件下的摩擦學(xué)特性。1方法和內(nèi)容1.1盤試樣預(yù)磨試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備采用HST-100高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)是一種高速銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),銷試樣尺寸為9mm×14mm×20mm,盤試樣尺寸為?300mm×10mm。為了保證銷試樣與盤試樣接觸良好,每次磨損試驗(yàn)之前都要進(jìn)行預(yù)磨。每次磨損后先用乙醇溶液將試樣清洗干凈,然后再用精度為0.1mg的BS210型電子天平分別稱量試樣質(zhì)量,再計(jì)算出磨損率(滑動(dòng)距離為10km時(shí)的磨損質(zhì)量損失)。1.2磨損表面的微觀分析采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡觀察碳碳復(fù)合材料摩擦表面的磨損形貌,以便分析速度、載荷和電流對(duì)碳碳復(fù)合材料摩擦學(xué)特性的影響。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1速度對(duì)碳碳復(fù)合材料磨損形貌的影響圖1為碳碳復(fù)合材料在電流一定(100A)條件下,摩擦因數(shù)和磨損率隨速度的變化曲線。由圖1可知,在受流條件下,碳碳復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨著摩擦速度的增大都呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),且當(dāng)速度較低時(shí),摩擦因數(shù)和磨損率的增加幅度較小,而在較高速度下,摩擦因數(shù)和磨損率隨著速度的增加都顯著升高。這是因?yàn)樵谑芰鳁l件下,摩擦速度對(duì)起弧程度的大小的影響很大。速度較大時(shí),銷盤之間的接觸狀況變差,甚至脫離接觸,從而在接觸表面形成電弧,速度越大,電弧的強(qiáng)度和發(fā)生頻率也越大。在強(qiáng)烈的電弧作用下,碳碳復(fù)合材料中的沉積碳和碳纖維被大量燒蝕而蒸發(fā)氣化,使摩擦表面的不平度顯著增加,從而使摩擦阻力增加,摩擦因數(shù)增大。而電弧強(qiáng)度的增加,也會(huì)使摩擦表面的燒蝕程度加大,從而使磨損率增加。圖2為不同速度條件下,碳碳復(fù)合材料的磨損形貌。由圖2可知,在速度為10m/s時(shí),碳碳復(fù)合材料磨損表面主要由碳膜和少量的電弧侵蝕坑構(gòu)成。而在速度為40m/s時(shí),磨損表面由少量的碳膜和大量電弧燒蝕坑和空洞組成。這說(shuō)明在速度較高時(shí),電弧較為劇烈,在強(qiáng)烈的電弧作用下,碳碳復(fù)合材料表面的沉積碳及碳纖維被大量蒸發(fā)氣化,留下許多空洞和圓滑的短纖維。2.2碳碳復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能圖3是電流一定(100A)的條件下,碳碳復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率隨著載荷的變化關(guān)系。由圖3可知,在載流摩擦磨損條件下,碳碳復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨載荷的增加而增大,而磨損率卻隨載荷的增加而減小。這是因?yàn)殡S著載荷的增大,銷盤之間接觸良好,電弧強(qiáng)度和頻率減小,使碳碳復(fù)合材料的燒蝕和氣化程度降低,碳的自潤(rùn)滑作用減小,因此摩擦阻力較大,摩擦因數(shù)也較大。而燒蝕程度的降低,也減小了碳碳復(fù)合材料的磨損率。圖4是碳碳復(fù)合材料的磨損表面形貌,可見(jiàn),當(dāng)載荷為40N時(shí),銷試樣表面與盤微觀脫離接觸處,在熱和電場(chǎng)的作用下,產(chǎn)生了電弧,強(qiáng)烈的電弧侵蝕銷試樣表面,使磨損表面沉積碳和碳纖維被氣化蒸發(fā)形成電弧燒蝕坑,在電弧的斷續(xù)灼燒下,使電弧燒蝕坑慢慢擴(kuò)大和加深,微觀接觸面減小,留下較深的坑和空洞,電氣磨損的程度較為嚴(yán)重。氣化后的碳沉積在摩擦表面,銷試樣表面與盤微觀接觸處,在銷盤相互擠壓下形成致密的碳膜,起到減摩作用。當(dāng)載荷為120N時(shí),隨載荷的增大,改善了銷盤表面接觸狀況,電弧強(qiáng)度和頻次降低,電氣磨損的程度有所減輕,磨損面上分布著較小的電弧侵蝕坑,和碳膜交錯(cuò)在一起。與較低載荷時(shí)相比,磨損面組成成分中,碳膜所占的比例減小。2.3影響磨擦學(xué)特性的外部因素2.3.1電流對(duì)于碳碳復(fù)合材料摩擦學(xué)性能影響圖5是有無(wú)電流條件下,碳碳復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性比較。由圖5可知,與無(wú)電流條件下相比較,碳碳復(fù)合材料在受流條件下的摩擦因數(shù)顯著降低,而磨損率卻顯著提高,并且在2種摩擦磨損條件下,摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)相同,而磨損律的變化趨勢(shì)卻正好相反。這是因?yàn)樵跓o(wú)電流條件下,碳碳復(fù)合材料中的碳纖維在摩擦力的剪切作用下被剪斷,留下沉積碳和斷裂的纖維,縱向纖維被拉撥出基體,形成斷口,發(fā)生了磨粒磨損。而在載流條件下,電流的存在使得碳碳復(fù)合材料中的碳?xì)饣?氣化后的細(xì)小碳顆粒附著在銷和盤的低凹處,在載荷的作用下,相互擠壓形成光滑的碳膜,碳膜起到了潤(rùn)滑作用,降低了摩擦因數(shù)。而電流的存在,使得碳碳復(fù)合材料在機(jī)械磨損之外,又增加了一項(xiàng)電蝕磨損,故磨損率提高。圖6為碳碳復(fù)合材料在有/無(wú)電流條件下磨損表面的SEM照片,此照片也能證實(shí)這一點(diǎn)。圖7是在載荷一定(80N)條件下,碳碳復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率與電流之間的關(guān)系。從圖中可以看出,碳碳復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨電流的增大而減小,而磨損率卻隨電流的增大而增大。這是由于隨著通過(guò)摩擦副之間的電流增大,電弧能量不斷增大,對(duì)碳碳復(fù)合材料的侵蝕、燒蝕作用有所增加,致使磨損率增大。碳碳復(fù)合材料在電弧的作用下氣化后,大量的碳顆粒附著在銷盤表面,在載荷的擠壓作用下形成致密的碳膜,起到潤(rùn)滑作用,故而在大電流下摩擦因數(shù)較小。圖8為碳碳復(fù)合材料在不同電流條件下磨損表面的SEM照片。由圖8可知,碳碳復(fù)合材料在小電流時(shí)的磨損表面由碳膜、斷裂的碳纖維和少量的電弧侵蝕空洞組成,而在大電流時(shí),磨損表面主要由碳膜和電弧燒蝕部分以及劃痕和少量的斷裂碳纖維構(gòu)成。這是由于隨著通過(guò)摩擦副之間的電流增大,電弧能量不斷增大,對(duì)碳碳復(fù)合材料的侵蝕、燒蝕作用有所增加。3載荷和電流對(duì)碳碳復(fù)合材料的研磨性能影響(1)電流一定的條件下,碳碳復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率都隨速度的增大而增大;隨著載荷的增大,碳碳復(fù)合材料的摩