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Ti3SiC2具有良好的电导率,较低的密度,它们既有与金属相似的良好的导热、导电性、相对柔软、可塑性好以及优越的可加工性,又有与陶瓷材料相近的物理化学性能,低密度、高熔点、抗氧化、高热稳定及耐磨性能。由于Ti3SiC2独特的性质,使其非常适合用作滑动电接触材料。但市场上的滑动电接触材料中,炭滑板的电阻率较大、强度不足、承载能力和耐磨性差;浸金属滑板的制备工艺复杂,造价高;传统粉末冶金受电弓滑板的摩擦系数大,磨耗严重。因此,改进Ti3SiC2的合成工艺、提高其合成纯度并促进其工业化生产,对开发新型高性能的电接触材料具有重要的理论意义和使用价值。
本文通过无压烧结法合成纯度较高的粉体Ti3SiC2,并使用Ti3SiC2、NbSe2作为增强相,通过粉末冶金法制备了Cu-Ti3SiC2-NbSe2复合材料,探索了新型电接触复合材料的配比和摩擦性能之间的关系。主要研究内容如下:
(1)通过优化混合方式将Ti、Si、石墨和Al等粉末按照一定配比混合后,在1420℃氩气保护下,采用无压烧结合成了Ti3SiC2粉末。用XRD和SEM分别分析了样品中的相成分、微观形貌,计算得出其质量百分含量,高达96.7%,研究了混合方式、原料的配比对合成Ti3SiC2的影响;讨论了烧结工艺中降温速率对Ti3SiC2微观形貌的影响,六方Ti3SiC2晶体的生长机理。本工艺原料混合简单有效,得到的产品纯度高,因而有助于实现Ti3SiC2粉末的批量生产。
(2)采用粉末冶金法将Ti3SiC2、六方片状的纳米NbSe2、与铜粉制成了Cu-Ti3SiC2-NbSe2复合材料,采用SEM手段表征表面形貌,并测试了其电学,力学等物理性能;测试Cu-Ti3SiC2-NbSe2复合材料的摩擦学性能,并对其摩擦磨损性能进行了研究,结果表明:
1)采用固相反应法,制备出纳米级的六方片层状的NbSe2。其尺寸大小非常均匀,分散性很好,纯度很高,仅有微量的Nb2O5杂质。
2)根据实验结果得出Cu-Ti3SiC2-NbSe2复合材料的各成分质量百分比的最佳配比Cu∶Ti3SiC2∶NbSe2=90∶4∶6,在此配比时此铜基复合材料具有最优的综合性能:硬度有一定的提高,抗弯强度有显著的提高,同时具有优良的导电性能,并大大提高了铜基复合材料的摩擦磨损性能。