鈦對石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料耐磨性的影響
發(fā)布時間：2021-08-12 15:56
通過基體鈦合金化的方法,熱壓燒結(jié)制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料,采用往復(fù)式摩擦磨損測試其耐磨性,X射線衍射（XRD）分析物相,光鏡、掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）分析微觀結(jié)構(gòu)和磨損形貌,結(jié)果表明:銅/石墨烯界面形成的TiC納米顆粒有利于增強(qiáng)界面結(jié)合力。摻有0.25%Ti的復(fù)合材料抗磨性能大幅提升,表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)0.25和較小的體積磨損率10.5×10-5 mm3/（N·m）（僅為純銅材料的22%）;但過量的Ti會導(dǎo)致摩擦性能下降。
【文章來源】：鋼鐵釩鈦. 2020,41(04)北大核心
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
燒結(jié)復(fù)合材料的XRD譜圖
圖2顯示了熱壓燒結(jié)后純銅和Cu-Gr 復(fù)合材料的微觀組織及結(jié)構(gòu)。可見,石墨烯均勻分布于銅基體中。此外,由于石墨烯添加含量低,僅為0.2%,沒有發(fā)現(xiàn)石墨烯存在擇優(yōu)取向的傾向。根據(jù)Saboori 等人[9]的研究報(bào)道,當(dāng)石墨烯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時,才可以觀察到明顯的擇優(yōu)取向現(xiàn)象,該濃度遠(yuǎn)高于本研究中石墨烯的添加量。從圖2也可觀察到石墨烯納米片主要分布在銅基體的晶界上,這是因?yàn)楦鶕?jù)Cu-C二元相圖,碳在其熔點(diǎn)以下幾乎不溶于銅,因此銅晶粒內(nèi)部沒有石墨烯溶入,只能分布在銅晶粒之間的晶界上。與純銅相比,復(fù)合材料Cu-0.2Gr的晶粒明顯細(xì)化,這是因?yàn)榫Ы绱嬖诘氖┳柚沽藷Y(jié)過程中晶粒的長大。圖2(c)清楚顯示在CuTi/Gr界面形成了大量類球形的納米顆粒,尺寸介于2～5 nm。通過圖2(d)對納米顆粒晶面間距的測定和比對,0.216 nm對應(yīng)TiC的(200)晶面,因此該納米顆粒為TiC。在圖1的XRD譜圖中未顯示TiC衍射峰的存在,原因在于其數(shù)量低于XRD衍射儀的檢測下限。
復(fù)合材料磨損面的SEM照片如圖3所示。不含石墨烯的純銅樣品有最大的磨痕寬度(～ 420 μm),明顯的塑形變形,大量的磨損碎屑以及斷裂痕跡,顯示該試樣經(jīng)歷了嚴(yán)重的磨料磨損、粘著磨損和機(jī)械剝離。當(dāng)0.2% Gr添加到銅基復(fù)合材料中,磨痕寬度減少至～ 400 μm,磨損面上可觀察到少量磨粒犁削的細(xì)小劃痕以及磨屑和剝離區(qū)域,這表明該材料的主要磨損方式為磨粒磨損和剝離磨損。此外,磨痕表面上間歇出現(xiàn)的平滑表面使得Cu-0.2Gr復(fù)合材料的磨損面整體形貌比純銅平滑得多。Cu-0.2Gr-0.25Ti復(fù)合材料的磨損面最為平滑,且磨痕寬度最窄(～ 190 μm),微觀的犁削痕跡幾乎不可見,這表明該材料經(jīng)歷的是輕微的磨粒磨損。與Cu-0.2Gr-0.25Ti相比,Cu-0.2Gr-0.5Ti試樣的磨損面寬度大幅增加至～ 390 μm,變得更加粗糙,具有典型的塑性變形,以及犁削和剝離痕跡,這些表明該材料的磨損存在磨粒磨損、粘著磨損和機(jī)械剝離三種方式,與純銅試樣的磨損形貌非常近似。基于上述的磨損形貌演化分析,CuTi-Gr復(fù)合材料的磨損機(jī)理可推斷如下:在摩擦過程中,石墨烯納米片暴露于滑動的對磨球下,并與銅的磨屑緊壓在一起,于接觸表面上形成了碳質(zhì)潤滑膜。這種包含石墨烯的潤滑膜有效避免了陶瓷與金屬摩擦副之間的直接接觸,通過在磨損過程中提供容易的剪切模式并減小從接觸面?zhèn)鬟f到下層基體的剪切應(yīng)力,阻止了基體的進(jìn)一步塑性變形,因此提升了復(fù)合材料的抗磨能力。與此相反,純銅試樣由于缺乏石墨烯的潤滑作用,遭受了嚴(yán)重的磨損。然而,由于銅與石墨烯之間的親和力較弱,在摩擦過程中石墨烯納米片很容易從基體上剝落,導(dǎo)致可用于減摩的石墨烯納米片數(shù)量減少,磨損面上形成的潤滑膜不連續(xù),并且最終磨損率沒有如預(yù)期般大幅降低。Cu-0.2Gr磨損面上間歇存在的光滑面有力證明了非連續(xù)摩擦膜的存在。而根據(jù)研究[11]報(bào)道,摩擦膜越完整,越有利于減少摩擦磨損。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]A Novel Cu–GNPs Nanocomposite with Improved Thermal and Mechanical Properties[J]. Abdollah Saboori,Matteo Pavese,Claudio Badini,Paolo Fino. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(02)
[2]石墨烯和石墨增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能（英文）[J]. 李景夫,張雷,肖金坤,周科朝. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015(10)
本文編號：3338618
【文章來源】：鋼鐵釩鈦. 2020,41(04)北大核心
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
燒結(jié)復(fù)合材料的XRD譜圖
圖2顯示了熱壓燒結(jié)后純銅和Cu-Gr 復(fù)合材料的微觀組織及結(jié)構(gòu)。可見,石墨烯均勻分布于銅基體中。此外,由于石墨烯添加含量低,僅為0.2%,沒有發(fā)現(xiàn)石墨烯存在擇優(yōu)取向的傾向。根據(jù)Saboori 等人[9]的研究報(bào)道,當(dāng)石墨烯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時,才可以觀察到明顯的擇優(yōu)取向現(xiàn)象,該濃度遠(yuǎn)高于本研究中石墨烯的添加量。從圖2也可觀察到石墨烯納米片主要分布在銅基體的晶界上,這是因?yàn)楦鶕?jù)Cu-C二元相圖,碳在其熔點(diǎn)以下幾乎不溶于銅,因此銅晶粒內(nèi)部沒有石墨烯溶入,只能分布在銅晶粒之間的晶界上。與純銅相比,復(fù)合材料Cu-0.2Gr的晶粒明顯細(xì)化,這是因?yàn)榫Ы绱嬖诘氖┳柚沽藷Y(jié)過程中晶粒的長大。圖2(c)清楚顯示在CuTi/Gr界面形成了大量類球形的納米顆粒,尺寸介于2～5 nm。通過圖2(d)對納米顆粒晶面間距的測定和比對,0.216 nm對應(yīng)TiC的(200)晶面,因此該納米顆粒為TiC。在圖1的XRD譜圖中未顯示TiC衍射峰的存在,原因在于其數(shù)量低于XRD衍射儀的檢測下限。
復(fù)合材料磨損面的SEM照片如圖3所示。不含石墨烯的純銅樣品有最大的磨痕寬度(～ 420 μm),明顯的塑形變形,大量的磨損碎屑以及斷裂痕跡,顯示該試樣經(jīng)歷了嚴(yán)重的磨料磨損、粘著磨損和機(jī)械剝離。當(dāng)0.2% Gr添加到銅基復(fù)合材料中,磨痕寬度減少至～ 400 μm,磨損面上可觀察到少量磨粒犁削的細(xì)小劃痕以及磨屑和剝離區(qū)域,這表明該材料的主要磨損方式為磨粒磨損和剝離磨損。此外,磨痕表面上間歇出現(xiàn)的平滑表面使得Cu-0.2Gr復(fù)合材料的磨損面整體形貌比純銅平滑得多。Cu-0.2Gr-0.25Ti復(fù)合材料的磨損面最為平滑,且磨痕寬度最窄(～ 190 μm),微觀的犁削痕跡幾乎不可見,這表明該材料經(jīng)歷的是輕微的磨粒磨損。與Cu-0.2Gr-0.25Ti相比,Cu-0.2Gr-0.5Ti試樣的磨損面寬度大幅增加至～ 390 μm,變得更加粗糙,具有典型的塑性變形,以及犁削和剝離痕跡,這些表明該材料的磨損存在磨粒磨損、粘著磨損和機(jī)械剝離三種方式,與純銅試樣的磨損形貌非常近似。基于上述的磨損形貌演化分析,CuTi-Gr復(fù)合材料的磨損機(jī)理可推斷如下:在摩擦過程中,石墨烯納米片暴露于滑動的對磨球下,并與銅的磨屑緊壓在一起,于接觸表面上形成了碳質(zhì)潤滑膜。這種包含石墨烯的潤滑膜有效避免了陶瓷與金屬摩擦副之間的直接接觸,通過在磨損過程中提供容易的剪切模式并減小從接觸面?zhèn)鬟f到下層基體的剪切應(yīng)力,阻止了基體的進(jìn)一步塑性變形,因此提升了復(fù)合材料的抗磨能力。與此相反,純銅試樣由于缺乏石墨烯的潤滑作用,遭受了嚴(yán)重的磨損。然而,由于銅與石墨烯之間的親和力較弱,在摩擦過程中石墨烯納米片很容易從基體上剝落,導(dǎo)致可用于減摩的石墨烯納米片數(shù)量減少,磨損面上形成的潤滑膜不連續(xù),并且最終磨損率沒有如預(yù)期般大幅降低。Cu-0.2Gr磨損面上間歇存在的光滑面有力證明了非連續(xù)摩擦膜的存在。而根據(jù)研究[11]報(bào)道,摩擦膜越完整,越有利于減少摩擦磨損。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]A Novel Cu–GNPs Nanocomposite with Improved Thermal and Mechanical Properties[J]. Abdollah Saboori,Matteo Pavese,Claudio Badini,Paolo Fino. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(02)
[2]石墨烯和石墨增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的摩擦磨損性能（英文）[J]. 李景夫,張雷,肖金坤,周科朝. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015(10)
本文編號：3338618
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