受流条件下碳碳复合材料摩擦学特性研究

受流条件下碳碳复合材料摩擦学特性研究

在流输条件下，摩擦磨损是指车间中的摩擦副产品，在有电流通过的情况下，摩擦磨损行为。其主要应用背景之一就是电力机车,包括高速铁路系统和城市公共交通中电车的电力传输系统。因此,本文作者使用碳碳复合材料和铬青铜作配副,模拟电力机车接触网中受电弓滑板和导线的服役条件,在HST-100摩擦磨损试验机上研究了碳碳复合材料在受流条件下的摩擦学特性。1方法和内容1.1盘试样预磨试验试验设备采用HST-100高速载流摩擦磨损试验机,该试验机是一种高速销盘式摩擦磨损试验机,销试样尺寸为9mm×14mm×20mm,盘试样尺寸为ϕ300mm×10mm。为了保证销试样与盘试样接触良好,每次磨损试验之前都要进行预磨。每次磨损后先用乙醇溶液将试样清洗干净,然后再用精度为0.1mg的BS210型电子天平分别称量试样质量,再计算出磨损率(滑动距离为10km时的磨损质量损失)。1.2磨损表面的微观分析采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜观察碳碳复合材料摩擦表面的磨损形貌,以便分析速度、载荷和电流对碳碳复合材料摩擦学特性的影响。2试验结果与分析2.1速度对碳碳复合材料磨损形貌的影响图1为碳碳复合材料在电流一定(100A)条件下,摩擦因数和磨损率随速度的变化曲线。由图1可知,在受流条件下,碳碳复合材料的摩擦因数和磨损率随着摩擦速度的增大都呈现出增加的趋势,且当速度较低时,摩擦因数和磨损率的增加幅度较小,而在较高速度下,摩擦因数和磨损率随着速度的增加都显著升高。这是因为在受流条件下,摩擦速度对起弧程度的大小的影响很大。速度较大时,销盘之间的接触状况变差,甚至脱离接触,从而在接触表面形成电弧,速度越大,电弧的强度和发生频率也越大。在强烈的电弧作用下,碳碳复合材料中的沉积碳和碳纤维被大量烧蚀而蒸发气化,使摩擦表面的不平度显著增加,从而使摩擦阻力增加,摩擦因数增大。而电弧强度的增加,也会使摩擦表面的烧蚀程度加大,从而使磨损率增加。图2为不同速度条件下,碳碳复合材料的磨损形貌。由图2可知,在速度为10m/s时,碳碳复合材料磨损表面主要由碳膜和少量的电弧侵蚀坑构成。而在速度为40m/s时,磨损表面由少量的碳膜和大量电弧烧蚀坑和空洞组成。这说明在速度较高时,电弧较为剧烈,在强烈的电弧作用下,碳碳复合材料表面的沉积碳及碳纤维被大量蒸发气化,留下许多空洞和圆滑的短纤维。2.2碳碳复合材料的摩擦学性能图3是电流一定(100A)的条件下,碳碳复合材料的摩擦因数和磨损率随着载荷的变化关系。由图3可知,在载流摩擦磨损条件下,碳碳复合材料的摩擦因数随载荷的增加而增大,而磨损率却随载荷的增加而减小。这是因为随着载荷的增大,销盘之间接触良好,电弧强度和频率减小,使碳碳复合材料的烧蚀和气化程度降低,碳的自润滑作用减小,因此摩擦阻力较大,摩擦因数也较大。而烧蚀程度的降低,也减小了碳碳复合材料的磨损率。图4是碳碳复合材料的磨损表面形貌,可见,当载荷为40N时,销试样表面与盘微观脱离接触处,在热和电场的作用下,产生了电弧,强烈的电弧侵蚀销试样表面,使磨损表面沉积碳和碳纤维被气化蒸发形成电弧烧蚀坑,在电弧的断续灼烧下,使电弧烧蚀坑慢慢扩大和加深,微观接触面减小,留下较深的坑和空洞,电气磨损的程度较为严重。气化后的碳沉积在摩擦表面,销试样表面与盘微观接触处,在销盘相互挤压下形成致密的碳膜,起到减摩作用。当载荷为120N时,随载荷的增大,改善了销盘表面接触状况,电弧强度和频次降低,电气磨损的程度有所减轻,磨损面上分布着较小的电弧侵蚀坑,和碳膜交错在一起。与较低载荷时相比,磨损面组成成分中,碳膜所占的比例减小。2.3影响磨擦学特性的外部因素2.3.1电流对于碳碳复合材料摩擦学性能影响图5是有无电流条件下,碳碳复合材料的摩擦学特性比较。由图5可知,与无电流条件下相比较,碳碳复合材料在受流条件下的摩擦因数显著降低,而磨损率却显著提高,并且在2种摩擦磨损条件下,摩擦因数的变化趋势相同,而磨损律的变化趋势却正好相反。这是因为在无电流条件下,碳碳复合材料中的碳纤维在摩擦力的剪切作用下被剪断,留下沉积碳和断裂的纤维,纵向纤维被拉拨出基体,形成断口,发生了磨粒磨损。而在载流条件下,电流的存在使得碳碳复合材料中的碳气化,气化后的细小碳颗粒附着在销和盘的低凹处,在载荷的作用下,相互挤压形成光滑的碳膜,碳膜起到了润滑作用,降低了摩擦因数。而电流的存在,使得碳碳复合材料在机械磨损之外,又增加了一项电蚀磨损,故磨损率提高。图6为碳碳复合材料在有/无电流条件下磨损表面的SEM照片,此照片也能证实这一点。图7是在载荷一定(80N)条件下,碳碳复合材料的摩擦因数和磨损率与电流之间的关系。从图中可以看出,碳碳复合材料的摩擦因数随电流的增大而减小,而磨损率却随电流的增大而增大。这是由于随着通过摩擦副之间的电流增大,电弧能量不断增大,对碳碳复合材料的侵蚀、烧蚀作用有所增加,致使磨损率增大。碳碳复合材料在电弧的作用下气化后,大量的碳颗粒附着在销盘表面,在载荷的挤压作用下形成致密的碳膜,起到润滑作用,故而在大电流下摩擦因数较小。图8为碳碳复合材料在不同电流条件下磨损表面的SEM照片。由图8可知,碳碳复合材料在小电流时的磨损表面由碳膜、断裂的碳纤维和少量的电弧侵蚀空洞组成,而在大电流时,磨损表面主要由碳膜和电弧烧蚀部分以及划痕和少量的断裂碳纤维构成。这是由于随着通过摩擦副之间的电流增大,电弧能量不断增大,对碳碳复合材料的侵蚀、烧蚀作用有所增加。3载荷和电流对碳碳复合材料的研磨性能影响(1)电流一定的条件下,碳碳复合材料的摩擦因数和磨损率都随速度的增大而增大;随着载荷的增大,碳碳复合材料的摩