亚微米钨铜复合粉对树脂基炭刷载流磨损性能的影响

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树脂基炭刷复合材料(RMCBCs)是中高功率电动工具用炭刷的主流材料。然而现有RMCBCs的载流磨损性能难以满足复杂服役工况条件的要求,因此,如何提高RMCBCs的载流磨损性能成为行业的研究热点之一。粘结剂是炭刷材料的重要组成部分,粘结剂性能的优劣是影响炭刷/换向器摩擦副是否匹配度的关键,但有关树脂固化温度、树脂抗变形能力对复合材料抗磨性能影响的研究鲜有报道。基于此,本文以中高功率电动工具用RMCBCs为研究对象,基于对环氧树脂的改性研究,开展了亚微米钨铜复合粉及环氧树脂改性对RMCBCs性能影响研究。重点研究固化温度及其结构演变对RMCBCs材料载流磨损性能的影响,在此基础上系统研究亚微米钨铜复合粉对RMCBCs载流磨损性能的影响,进而阐明在复合材料体系中使得应力分散传递的“疏”,和颗粒增强树脂抑制微裂纹的“堵”对提升炭刷抗磨性能的调控机制。主要研究内容如下:(1)系统对比了不同固化温度对RMCBCs性能的影响。研究发现,随着固化温度的提高,RMCBCs电阻率、肖氏硬度、抗折和抗压强度均呈现先增大后减小的趋势,当固化温度为200℃时分别达到最大值618.20μΩ·m、22.6HSD、37.44MPa和42.88MPa。同时,RMCBCs固化温度为200℃时,其载流磨损率达到了最小值3.18mm~3·h-1,RMCBCs与换向器的磨损机制以疲劳磨损为主。(2)采用静电吸附法,制得均匀分散钨铜复合粉的RMCBCs材料(RMCBCs-W@Cu)。研究发现,向RMCBCs中添加含量为3.75wt.%的钨铜复合粉时,RMCBCs-W@Cu的抗折强度、抗压强度分别达到了最大值39.6MPa和48.32MPa,此时载流磨损率达到了最小值1.64 mm~3·h-1。与添加了钨粉的RMCBCs-W和铜粉的RMCBCs-Cu相比,RMCBCs-W@Cu综合性能表现最为优异,其中RMCBCs-W@Cu的平均摩擦系数为0.243,较未添加的RMCBCs减少了17.34%。RMCBCs-W@Cu导热系数是未添加的树脂基炭刷的1.76倍。添加了钨铜复合粉后RMCBCs的疲劳磨损被有效的抑制。(3)基于本研究的实验结果和理论计算,研究了固化温度对RMCBCs载流磨损机理的影响规律,分析表明,RMCBCs的黏着磨损归因于磨损面和摩擦膜之间的羟基形成的氢键引发的切向阻力。RMCBCs的疲劳磨损归因于磨损面抗变形能力差。通过纳米压痕、有限元分析和理论计算,证实了在RMCBCs中引入钨铜复合粉后,其摩擦系数降低和实验所测得的结果一致。钨铜复合粉特殊的“行星结构”在RMCBCs内部构筑了“疏-堵结合”的结构,“疏”了界面应力,“堵”了树脂的变形引起的开裂,减弱了疲劳磨损,从而显著提高了RMCBCs的载流磨损性能,该研究为工业研制高性能RMCBCs提供了可靠的理论支撑。
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