不同相对湿度下铜/石墨配副载流摩擦性能研究

王星星，辛 顺，吴睿渲，王 屹，邵小华，田志强，吴 瑕，宋晨飞

(1.中船九江精达科技股份有限公司，江西 九江 332008；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450；3.河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471023)

0 引言

碳刷是由石墨块和铜材料构成的滑动载流摩擦副，是电气化铁路、电机、雷达等高端装备传输电功率的唯一通道[1-3]。载流摩擦副的性能除了受载荷、电流和滑动速度的影响外，还受到温度、相对湿度和气氛等环境条件的影响[4-7]。文献[8]研究了相对湿度对纯铜滚动载流摩擦性能的影响，相对湿度的增加导致摩擦因数和表面氧化程度增大，表面损伤形式从黏着、磨粒磨损转变为疲劳磨损。文献[9]研究了相对湿度对碳刷磨损率的影响，在50%相对湿度时，接触表面的氧化层可作为润滑剂使碳刷的磨损率减小，而较低相对湿度时则无润滑现象。文献[10]研究了相对湿度对纯铜导线/碳滑板载流摩擦性能的影响，当相对湿度低于或超过这个最佳湿度时，产生的电弧会显著增多。综上所述，在不同的相对湿度环境中，载流摩擦性能和接触表面状态会发生明显变化，但不同研究者所发现的性能变化规律和对相关微观机制的认识不尽相同。因此，有必要进一步探索相对湿度对铜/石墨配副载流摩擦性能的影响。

本文以石墨块和铜盘组成销环式滑动载流摩擦副，在0%～80%相对湿度的大气环境中开展了载流摩擦试验，并基于摩擦表面形貌、成分分析结果阐明相关现象的微观机制。

1 试验

1.1 载流摩擦试验方法

试验设备为河南科技大学与南京神源生智能科技有限公司联合研制的FTM-CF100载流摩擦试验机[11]，如图1所示。试验采用的盘试样材料为T2紫铜，盘试样直径为74 mm，外缘曲率半径为100 mm，装在A轴；销试样为石墨材料，长10 mm、宽10 mm、高5 mm，装在B轴。试验过程中A轴带动铜盘旋转，B轴静止，盘试样外缘和销试样构成滑动载流摩擦副。试验前后利用分析天平对销试样称质量，质量差值为磨损量。

图1 FTM-CF100载流摩擦试验机

试验过程中设定载荷为100 N，初始电流为2 A，盘试样转速为40 r/min，对应的线速度为0.155 m/s。数据采样的频率为50 Hz，设定试验总时长为1.5 h，单次数据采集时间为10 s，数据采集间隔为110 s，直至试验结束。试验过程中可获取电流、接触电阻、载流摩擦因数等动态信号，每种工况重复5次试验。

1.2 相对湿度控制方法

图2 饱和电解质溶液法制备相对湿度可控的空气

采用饱和电解质溶液法制备相对湿度(relative humidity, RH)可控的空气(见图2)，并通入环境腔中，从而使得铜/石墨配副处在湿度可控的环境内[12]。本试验选用NaOH、MgCl2、NaBr、K2SO4的饱和溶液，可以得到10%、30%、50%和80%的可控相对湿度，误差为±2%。相对湿度为0%的空气直接从压缩空气钢瓶中获取。

1.3 摩擦表面表征方法

试验结束之后，将铜盘试样磨损区切割成 10 mm ×6 mm × 4 mm的块体，然后浸泡于丙酮中，并超声清洗30 min，自然风干后用于表面表征。采用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM, TESCAN VEGA3 SBH, 捷克)观察试验后铜盘表面形貌与损伤情况；采用能谱仪(energy dispersive spectrometer, EDS, EDAX Octane SDD Series, 美国)分析铜盘表面的元素分布及相对含量；采用光学显微镜(optical microscopy, OM, DMi 8C, Leica, 德国)观察铜盘试样和石墨试样的磨痕尺寸。

2 结果与讨论

2.1 相对湿度对摩擦因数和接触电阻的影响

图3统计了相对湿度对平均载流摩擦因数和平均接触电阻的影响。相对湿度从0%增加至80%时(见图3a)，平均载流摩擦因数分别为0.420、0.484、0.530、0.503和0.472，呈现先增加后减小的趋势。文献[13]报道了石墨的润滑作用与相对湿度密切相关。潮湿空气中的水分子会插入石墨层中，有利于石墨层间滑移进而提供润滑作用。本试验结果表明： 当相对湿度大于50%时石墨才提供润滑效果，该规律与文献[13]的报道一致。当相对湿度低于30%时，石墨试样并未提供有效的润滑作用，载流摩擦因数反而随相对湿度的升高而增大，可能与吸附水诱导的毛细力有关[14-15]。由图3b可见：不同相对湿度下铜/石墨配副的平均接触电阻分别为0.839 Ω、0.935 Ω、0.994 Ω、0.927 Ω和0.876 Ω，呈现出先增大后减小的趋势。石墨的电阻率为(8～13)×10-6Ω/m，远高于铜的电阻率1.7×10-8Ω/m。随着相对湿度的增加，石墨的磨损量之和以及石墨在铜试样上的铺展程度逐渐上升，因而接触电阻逐渐升高。但当相对湿度大于50%时，石墨的磨损面积以及铜盘试样的磨痕宽度大幅增加，导电接触面积增加，导致高相对湿度时的接触电阻有所下降。

(a) 平均载流摩擦因数

2.2 相对湿度对载流摩擦副磨损量的影响

图4为不同相对湿度下铜盘试样磨痕和石墨试样磨痕。由图4可知：当相对湿度从0%增加到80%时，纯铜试样磨痕宽度分别为3.94 mm、4.22 mm、4.51 mm、4.74 mm和6.31 mm，对应石墨试样表面磨痕面积分别为11.06 mm2、11.21 mm2、11.40 mm2、13.69 mm2和21.30 mm2。磨痕宽度和磨痕面积呈现出逐渐递增的变化趋势。此外，铜盘试样表面的磨痕颜色随相对湿度的增加不断加深，说明转移至铜试样表面的石墨含量逐渐增多。图5为相对湿度对石墨试样磨损量的影响。如图5所示，石墨刷试样在干燥大气环境中的磨损量为0.2 mg；随着相对湿度逐步增加至80%，磨损量随之增加到1.1 mg，与图4所示磨痕宽度和磨损面积的变化规律一致。磨痕宽度和磨损面积的增大意味着接触导电面积的增大，特别是当相对湿度大于50%时，磨痕宽度和磨损面积增加明显，因而对应工况下的接触电阻有下降趋势。文献[16-17]报道当相对湿度较高时，大气中的水分子将降低石墨层间的作用力，石墨层更容易产生滑移，导致高湿度下石墨磨损加剧，同时降低摩擦因数。

(a) 0%RH,2 A (b) 10%RH,2 A (c) 30%RH,2 A (d) 50%RH,2 A (e) 80%RH,2 A

图5 相对湿度对石墨试样磨损量的影响

2.3 相对湿度对磨损损伤机制的影响

铜/石墨配副的摩擦磨损性能与摩擦表面形成的石墨转移膜密切相关[18]，为进一步揭示相对湿度对铜/石墨配副载流摩擦性能的影响机制，本文对铜盘试样表面的形貌和成分做了详细分析。分别选取本试验的最低 (0%)、最高(80%)、性能发生转变(30%)3个相对湿度条件下的铜盘试样作为微观表征样品。图6是不同相对湿度下铜盘磨损区域的SEM图片。相对湿度为0%时(见图6a)，铜盘表面有轻微的犁沟痕迹，表面仅有少量石墨(黑色部分)；相对湿度为30%时(见图6b)，铜盘表面犁沟痕迹较为明显，表面附着的石墨增多；相对湿度为80%时(见图6c)，铜盘磨损表面大部分被石墨覆盖，少部分显现出铜金属(白色部分)。

(a) 0%RH,2 A (b) 30%RH,2 A (c) 80%RH,2 A

图7 不同湿度下铜盘磨损表面原子数百分含量

采用能谱分析了不同湿度下铜盘磨损表面原子数百分数，结果见图7。由图7可知：载流摩擦试验后铜盘表面存在C、O、Cu这3种元素。铜盘表面的C元素由石墨试样转移获得，O元素由铜发生氧化反应从空气或水蒸汽中获得[19-20]。随着相对湿度的增加，C元素原子数百分含量从32.52%增加至44.77%，C元素在铜试样表面的铺展越来越充分，与图5中石墨磨损量的变化规律一致。同时，O元素原子数百分含量从8.83%降低至2.70%，铜表面覆盖的C元素有助于隔离Cu元素与空气或水蒸气的接触，减缓Cu元素氧化。铜作为基体材料，元素原子数百分含量从58.65%降低至52.53%。由于3种元素原子数百分含量之和为100%，因此Cu原子数百分含量的降低与C原子数百分含量的上升有关。

综上，相对湿度通过影响铜/石墨界面的石墨转移膜，继而影响配副的载流摩擦学性能。低于30%的相对湿度环境中，石墨无法提供有效的润滑效果。随着相对湿度继续增加，C元素原子数百分含量继续增加，C元素原子数百分含量大于40%时，载流摩擦因数开始降低。铜试样表面磨痕宽度、石墨试样磨痕面积增加明显，有利于降低接触电阻。因此，增加相对湿度可促进石墨转移膜的形成，对降低铜/石墨配副的摩擦因数和接触电阻有一定帮助，但却会引起石墨磨损量加剧。

3 结论

(1)随着相对湿度从0%增加至80%，载流摩擦因数和接触电阻均表现出先增加后降低的趋势，且在相对湿度30%时达到最大值。

(2)随着相对湿度的增加，石墨磨损量持续增加，导致铜试样磨痕宽度和石墨试样磨痕面积增加。

(3)磨损表面C元素原子数百分含量大于40%时，石墨转移膜开始表现出润滑效应。