简介概要

压力对碳纤维-铜-石墨复合材料接触电压降的影响

来源期刊：稀有金属2001年第4期

论文作者：凤仪黄守国王成福张学斌陶宁

关键词：碳纤维-铜-石墨复合材料; 压力; 接触电压降;

摘要：在电磨损条件下,研究了压力变化(7.5～30 N/cm2) 对碳纤维-铜-石墨复合材料接触电压降的影响,结果表明,电磨损初期,接触电压降随磨损时间的延长而增加;随着压力的增加,复合材料接触电压降下降,但压力超过一定值后,接触电压降变化不大.分析了接触电压降的变化机理.

稀有金属 2001,(04),252-255 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.04.005

压力对碳纤维-铜-石墨复合材料接触电压降的影响

陶宁黄守国张学斌王成福

合肥工业大学材料学院!合肥230009,中国科学技术大学经济技术学院!合肥230052,合肥工业大学材料学院!合肥230009,合肥工业大学材料学院!合肥230009,合肥工业大学材料学院!合肥230009

摘要：

在电磨损条件下 , 研究了压力变化 (7 5～ 30N/cm2 ) 对碳纤维铜石墨复合材料接触电压降的影响 , 结果表明 , 电磨损初期 , 接触电压降随磨损时间的延长而增加 ;随着压力的增加 , 复合材料接触电压降下降 , 但压力超过一定值后 , 接触电压降变化不大。分析了接触电压降的变化机理

关键词：

碳纤维铜石墨复合材料;压力;接触电压降;

中图分类号： TB331

收稿日期：2000-08-28

基金：国家自然科学基金资助项目 (No .5 97710 12 );

Influence of Pressure on Contact Drop of Carbon Fiber-Copper-Graphite Composite

Abstract：

Under the different pressure conditions (from 7.5 N/cm 2 to 30N/cm 2) , the brush contact drop of carbon fiber copper graphite composite was investigated and worn surface was observed. The results show that at the beginning of electrical wear, the contact drop of composite increases as the electrical wear time increases and then there is a plateau at almost constant contact drop. With the increasing of pressure, the number of a spots increases and the constriction resistance decreases and so the contact drop decreases when the pressure changes from 7.5 N/cm 2 to 20 N/cm 2. When the pressure varies from 20 N/cm 2 to 30 N/cm 2, the contact drop keeps steady.

Keyword：

Carbon fiber copper graphite composite; Pressure; Brush contact drop;

Received： 2000-08-28

电刷是用于电机的换向器或集电环上传导电流的滑动接触件, 接触电压降是电流通过电刷、接触点薄膜、换向器或集电环的电压降, 它反映了滑动接触全部因素的综合性能, 是衡量电刷好坏的重要性能指标。对金属类石墨电刷而言, 由于其应用场合大都为低电压、大电流, 如果接触电压降过高, 不仅增大滑动接触时的电损耗, 而且大量电能转换为热能, 使电刷散热困难, 磨损加剧。碳纤维由于具有高的比强度、比模量, 良好的导电、导热和润滑耐磨性, 而在各类耐磨、减摩材料中得到应用 ^[1,2] 。但目前有关碳纤维-金属基复合材料耐磨性研究, 大都在机械磨损条件下进行 ^[3,4] , 对该材料在电磨损条件下的磨损行为, 特别是压力对接触电压降影响的研究报道很少。针对这种情况, 本文研究了在电磨损条件下, 压力变化对碳纤维-铜-石墨复合材料接触电压降的影响, 并对其机理进行了初步探讨。

1 实验材料和方法

试验所用碳纤维为吉林炭素厂生产, 每束含单丝 3000 根, 单丝直径为 7 μm, 密度为 1.70 g/cm³;铜粉为上海第二冶炼厂生产的 38 μm 纯铜粉, 密度为 8.90 g/cm³;石墨粉为山东南墅石墨矿厂生产的 LG (-) 325-95天然磷片石墨粉。

先将碳纤维表面电镀一层厚约为 6μm 的铜层, 然后切割成 1.0～1.5 mm 的短纤维, 采用粉末冶金法在氢保护气氛中烧结制取复合材料。压制压力为 250 MPa, 烧结温度为 900±5℃, 制得的复合材料成分 (质量分数) 为:82% Cu, 14% G, 1.5% CF, 1.5% Pb, 1% Sn (G代表石墨, CF代表碳纤维) 。然后加工成40mm×25mm×8mm 的电刷进行接触电压降试验。

碳纤维-铜-石墨复合材料接触电压降测试按国标 GB12175-90 在自制电磨损试验机上进行。试样为环-块滑动, 对磨环为铜合金, 布氏硬度为 105, 由三个相互绝缘的尺寸为 Φ320 mm×60 mm 的短路环组成, 环表面开有均匀轴向槽, 槽距 5.5 mm, 槽宽 0.5 mm, 槽深 2 mm。电磨损条件为:电流为 15 A/cm², 压力为 7.5～30 N/cm², 换向器线速度为 15 m/s, 一对电刷的接触电压降 (正、负电刷附加软接线端子之间的电压) 测量如图1所示, 电刷的附加软接线与换向器接触面的距离为 5 mm, 且在 t/2 处, 测量接触电压降的直流电压表精度为级。用 S-570 扫描电子显微镜观察磨面形貌。

2 实验结果与讨论

图2是碳纤维-铜-石墨复合材料电刷在不同压力情况下, 接触电压降随磨损时间的变化情况。从图中可见, 在磨损初期接触电压降较小, 随着磨损的进行, 接触电压降先增大, 然后保持在一较稳定值上。从物理意义上说, 固体表面总是凹凸不平的, 所以电刷与换向器的接触只能是局部的, 局限于微观小区域。称为 a-斑点, 故产生收缩电阻 (如图3所示) ^[5] :

图1 一对电刷接触电压降测量示意图

Fig.1 Schematic of contact drop per brush pair

(a) 一对电刷在换向器上的位置; (b) 电刷接触电压降示意图

R_a= (ρ_b+ρ_r) /4an (1)

式中:ρ_b, ρ_r 为电刷、换向器的电阻率;a为斑点半径;n 为斑点数目。

图2 不同压力下复合材料接触电压降随磨损时间的变化

Fig.2 Influence of pressure and wear time on contact drop of composite

1—压力为7.5 N/cm2;2—压力为10 N/cm2;3—压力为15 N/cm2;4—压力为20 N/cm2;5—压力为25 N/cm2;6—压力为30 N/cm2

随着磨损的进行, 由于机械性功率损耗和电气性功率损耗产生的温升以及物理吸附、化学吸附作用, 在电刷和换向器之间产生一层润滑膜 (如图4所示) , 其组成 (质量分数) 为 Cu₂O 约66%, C 约 22%, 其余为水和灰尘 ^[6] , 这层表面膜可通过隧道导电, 其电阻为:

R_f=σ_f/nπa² (2)

式中 σ_f 为表面电阻。故总的收缩电阻为:

R= (ρ_b+ρ_r) /4an+σ_f/nπa² (3)

使接触电压降上升。在碳纤维-铜-石墨复合电刷材料中, 由于碳纤维的研磨作用 ^[7] , 阻止了薄膜随磨损时间的延长而增厚, 使之维持在一动态平衡状态, 故接触电压降维持在一较稳定值上, 如图2所示。

图3 电流收缩示意图

Fig.3 Schematic of electrical constriction

图4 电刷磨面薄膜形貌

Fig.4 Worn surface topography of brush

图5为磨损时间为 50 h 时, 压力对接触电压降的影响, 从图中可见, 随着压力的增大, 接触电压降先下降, 然后维持在一稳定值上。假设接触是基本稳定且各处薄膜性质基本相同, 则总的实际接触面积 A_b 与电刷硬度 H 的关系为 ^[8] :

式中: 为每个接触点的平均压力, P为总压力, H为电刷硬度, §为常数。理论上 0≤§≤1, 一般在实际运行条件下 0.1≤§≤0.3。由式 (4) 可知, 压力越大, 实际接触面积越大, 而从 (3) 式可知, 实际接触面积越大, 收缩电阻越小, 故接触电压降下降。

图5 压力对接触电压降的影响

Fig.5 Influence of pressure on contact drop of composite

当外力较大时, a-斑点数目和半径都将增大, 各个 a-斑点微观区将紧紧相邻, 则各个电流路径的电位产生相互作用和叠加, 收缩电阻变为 ^[9] :

式中 S_ij为微观区 (a-斑点) 间距。压力增加, n、a增大, 使 R 减小, 但压力较大时, (5) 式比 (3) 式多一电位相互作用项 , 使 R 增大, 综合考虑上述影响, 当压力大于某一值后, 接触电压降变化不大, 这与 Williamson 的理论分析吻合较好 ^[10] 。这也保证了换向器运行过程中接触电压降的稳定, 改善了换向性能。