張曉杰 ,宋俊杰 ,蘇云峰 ,樊恒中 ,張孝禹,3 ,馬 勤 ,胡麗天,張永勝

(1.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050;3.煙臺(tái)中科先進(jìn)材料與綠色化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,山東 煙臺(tái) 264006)

銅/石墨復(fù)合材料由于具有自潤滑、耐磨損、高承載、抗沖擊和高導(dǎo)熱等諸多優(yōu)異性能，作為無油潤滑軸套、軸承及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)材料，在閘門支撐絞和飛機(jī)起落架等部位具有重要應(yīng)用[1-2].然而，隨著裝備性能的提升，銅/石墨自潤滑材料的服役工況變得更為嚴(yán)苛，例如大噸位飛機(jī)在著陸過程中起落架裝置上的支撐圈面臨更高載荷下的摩擦和沖擊作用，對(duì)銅/石墨復(fù)合材料的承載能力、重載耐磨性能和抗外載沖擊破壞能力提出了更高要求[3].

目前，常用銅/石墨復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)類型主要分為均相銅/石墨復(fù)合材料和銅鑲嵌石墨材料兩種.均相銅/石墨復(fù)合材料即石墨粉體均勻復(fù)合于銅基體中，由于石墨相與金屬銅間呈弱界面結(jié)合，致使銅基體的三維連續(xù)性大幅下降，極大削弱了銅合金抵抗外載破壞的能力，影響材料的使役可靠性[4].銅鑲嵌石墨材料是采用焊接或過盈配合等方式將石墨相連接在具有均勻分布孔洞的銅基體材料上，該設(shè)計(jì)方法顯著提升了銅基體的三維連續(xù)性，材料的承載能力和耐磨性能也顯著改善[5].但是，該工藝相對(duì)復(fù)雜，且在無油干摩擦作用下，由于摩擦熱積累以及摩擦振動(dòng)等條件容易使石墨相與銅基體熱膨脹不匹配或界面疲勞裂紋擴(kuò)展而發(fā)生脫落，導(dǎo)致復(fù)合材料的自潤滑功能削弱，進(jìn)而加劇摩擦磨損，極大限制了該類材料在重載摩擦與沖擊振動(dòng)工況下的實(shí)際應(yīng)用.

賦予石墨相一定的聚集程度，并將其合理分布于基體材料中，可以改善金屬基體的三維連續(xù)性，進(jìn)而提升材料的減摩抗磨性能和使役可靠性[6-8].基于該設(shè)計(jì)理念，Jiang等[8]通過振動(dòng)滾球制造石墨顆粒，結(jié)合真空熱壓燒結(jié)制備了石墨相呈球形顆粒的銅/石墨(體積分?jǐn)?shù)為10%)復(fù)合材料.將石墨相的形態(tài)從粉體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的球形顆粒，顯著減少石墨相與銅基體間的弱界面數(shù)量，進(jìn)而使銅基體的三維連續(xù)性大幅提升.在摩擦滑動(dòng)過程中，具有一定聚集程度的石墨相更容易被拖敷于摩擦界面形成潤滑膜和轉(zhuǎn)移膜.在材料受到外載時(shí)，裂紋在沿弱界面擴(kuò)展的同時(shí)可有效借助三維連續(xù)結(jié)構(gòu)的金屬基體耗散斷裂能.因此，在保持三維連續(xù)銅基體高承載和石墨優(yōu)異潤滑效果的基礎(chǔ)上，有效利用弱界面對(duì)裂紋的偏轉(zhuǎn)機(jī)制和金屬對(duì)擴(kuò)展裂紋的鈍化機(jī)制，有望大幅提升材料在重載摩擦工況下的實(shí)用性.基于此，本研究中將采用復(fù)制三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模板的方法，制備具有三維雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的銅/石墨復(fù)合材料，考察三維雙連續(xù)結(jié)構(gòu)對(duì)材料承載能力和抗沖擊破壞能力的影響，并深入研究材料/軸承鋼摩擦副在面-面接觸的重載作用下的摩擦學(xué)行為與摩擦磨損機(jī)制.

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料制備

本試驗(yàn)中選用聚氨酯海綿[30 ppi (ppi為每平方英寸)，購自成都三禾海綿有限公司]為三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模板，膠體石墨(粒徑為5 μm，購自上海膠體試劑廠)為固體潤滑劑，663牌號(hào)銅粉(粒徑為10 μm，購自北京金源新材料科技有限公司)為基體原料.

采用復(fù)制模板-填充銅粉-冷壓成型-熱壓燒結(jié)法制備具有雙連續(xù)三維結(jié)構(gòu)的銅/石墨復(fù)合材料，其中，石墨三維連續(xù)骨架采用復(fù)制模板法制得，制備方法如圖1所示.具體步驟如下：(1)將質(zhì)量比為1:20的膠體石墨和溶有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的乙基纖維素的乙醇溶液混合超聲獲得石墨懸浮液；(2)將聚氨酯海綿在石墨懸浮液中反復(fù)浸涂達(dá)到所需質(zhì)量；(3)在真空干燥箱中室溫干燥2 h獲得石墨骨架結(jié)構(gòu).然后，按所需體積分?jǐn)?shù)，稱取663銅粉填充于石墨骨架結(jié)構(gòu)中，并采用雙向加壓方式，軸向壓力為180 MPa，在鋼模具中冷壓5 min獲得素坯.將素坯轉(zhuǎn)移至石墨模具中，在真空熱壓爐中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，獲得石墨與銅基體的體積比為1:9的雙連續(xù)三維結(jié)構(gòu)銅/石墨復(fù)合材料，材料命名為3Dd-Cu-G10.燒結(jié)工藝：在無壓力作用下，80 min內(nèi)溫度升至400 ℃，再在30 min內(nèi)升至850 ℃，保溫20 min后，將爐溫在60 min內(nèi)降至770 ℃；將燒結(jié)壓力升至16 MPa，保溫保壓30 min，燒結(jié)后隨爐冷卻.在相同工藝參數(shù)下制備663銅材料和體積分?jǐn)?shù)為10%的均相銅/石墨復(fù)合材料作為對(duì)比材料，分別命名為Cu和Cu-G10.制備均相銅/石墨復(fù)合材料粉體按照石墨和銅的體積比為1:9球磨混合獲得.

Fig.1 Preparation method of 3D bi-continuous copper/graphite self-lubricating composites圖1 三維雙連續(xù)銅/石墨自潤滑復(fù)合材料的制備方法

1.2 力學(xué)性能測試

在萬能試驗(yàn)機(jī)(DY-35)上采用三點(diǎn)彎曲法測試復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度，試樣尺寸為25 mm×4 mm×3 mm，跨距為20 mm，加載速率為0.5 mm/min.沖擊韌性采用JB-500B型擺錘式夏洛比沖擊試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南科匯實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)測量，試樣尺寸為50 mm×10 mm×5 mm，“U”形切口深度為2 mm，切口寬度為2 mm.以上每項(xiàng)測試數(shù)據(jù)重復(fù)8次并取平均值.

1.3 摩擦性能測試

采用栓-盤接觸及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的形式，用UMT-3MT型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察材料在干摩擦條件下的摩擦學(xué)性能.選擇尺寸為Φ3 mm×15 mm的AISI 52100軸承鋼栓作為摩擦配副，其顯微硬度為394 HV，表面粗糙度(Ra)為0.1 μm.試樣尺寸為5 mm×25 mm×15 mm，線性全振幅為5 mm，往復(fù)頻率為5 Hz，試驗(yàn)前將其表面打磨拋光，直至粗糙度(Ra)為0.1～0.3 μm.試驗(yàn)載荷為120 N (面接觸載荷為17 MPa)，摩擦?xí)r間為30 min.此外，試驗(yàn)分別考察了三種材料在不同載荷(10、20、30、40、50、60、120和180 N)、線性全振幅為5 mm、往復(fù)頻率為5 Hz及摩擦?xí)r間為30 min條件下的摩擦工況適應(yīng)性.由于材料Cu的干摩擦系數(shù)較大，受限于檢測設(shè)備摩擦扭矩傳感器的允許測量范圍，試驗(yàn)中未考察材料Cu在較高載荷下(≥180 N)的摩擦磨損性能.所有摩擦試驗(yàn)均在室溫(20±2 ℃)和相對(duì)濕度為25%±5%的環(huán)境下進(jìn)行.磨損率(K)通過Archard方程K=V/(SF)計(jì)算得出，其中：V為磨損體積(mm3)，S為滑動(dòng)總行程(m)，F(xiàn)為摩擦試驗(yàn)中所施加的法向載荷(N).文中所呈現(xiàn)的摩擦系數(shù)和磨損率均為相同試驗(yàn)條件下重復(fù)3次后取的平均值，摩擦系數(shù)曲線和磨損形貌為3次重復(fù)試驗(yàn)中的典型試驗(yàn)結(jié)果.

1.4 顯微結(jié)構(gòu)、斷裂形貌和磨損表面表征

采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-5600LV)、X射線能譜儀(EDS)和三維表面輪廓儀(Keyence VHX-6000)表征和分析力學(xué)和摩擦學(xué)性能及測試前后材料的宏/微觀結(jié)構(gòu)、斷裂面形貌、磨損表面形貌和元素組成.

2 結(jié)果與討論

2.1 銅/石墨復(fù)合材料的宏/微觀結(jié)構(gòu)

圖2示出了三維雙連續(xù)復(fù)合結(jié)構(gòu)和均相結(jié)構(gòu)銅/石墨復(fù)合材料的表面宏/微觀結(jié)構(gòu)照片，圖中淺色部分為銅基體，深色部分為石墨相.由圖可以看出，均相銅/石墨復(fù)合材料Cu-G10中石墨粉體在銅基體中呈均勻分布狀態(tài)，銅基體的連續(xù)性被石墨相片層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重割裂.然而，在材料3Dd-Cu-G10中石墨相以三維連續(xù)骨架呈現(xiàn)，石墨粉體的聚集程度相對(duì)增大，石墨相與金屬銅間的弱界面數(shù)量減少，銅基體的連續(xù)程度顯著增大，使得材料3Dd-Cu-G10組織結(jié)構(gòu)區(qū)別于均相復(fù)合材料，材料表面的銅基體與石墨相在宏觀結(jié)構(gòu)上以強(qiáng)/弱交替的形式呈現(xiàn).此外，從材料3Dd-Cu-G10結(jié)構(gòu)的放大圖片可以看出，石墨相與銅基體連接的界面處無石墨缺失及裂紋等缺陷，石墨相三維連續(xù)骨架的整體結(jié)構(gòu)保持相對(duì)完整.

Fig.2 Typical morphologies of copper/graphite self-lubricating composites with different structures:(a) optical microscopic and(a') local enlarge image of Cu-G10;(b) optical microscopic and (b') local enlarge image of 3Dd-Cu-G10圖2 不同結(jié)構(gòu)銅/石墨自潤滑復(fù)合材料的典型形貌

2.2 材料力學(xué)性能

試驗(yàn)測試了材料Cu、Cu-G10和3Dd-Cu-G10的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，結(jié)果列于表1中.具有三維雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的銅/石墨復(fù)合材料展現(xiàn)出高承載能力，材料3Dd-Cu-G10的抗彎強(qiáng)度可與塊體663銅合金(材料Cu)比擬，高達(dá)372±38 MPa.然而，均相銅/石墨復(fù)合材料Cu-G10的承載能力相對(duì)較低，抗彎強(qiáng)度為190±10 MPa，僅為材料3Dd-Cu-G10抗彎強(qiáng)度的51%左右.此外，具有三維雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的銅/石墨復(fù)合材料還具有更加優(yōu)異的抗外載沖擊破壞能力，材料3Dd-Cu-G10的沖擊韌性高達(dá)32.8±3.1 J/cm2，比材料Cu-G10提高了11.1倍，甚至比材料Cu的沖擊韌性還高出2.2倍.

表1 不同結(jié)構(gòu)銅/石墨自潤滑復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of copper/graphite selflubricating composites with different structures

圖3和圖4分別示出了材料Cu、Cu-G10和3Dd-Cu-G10在三點(diǎn)彎曲后的斷裂形貌和載荷-位移曲線，三種材料分別表現(xiàn)出不同的斷裂行為.材料3Dd-Cu-G10展現(xiàn)出類似于塊體材料Cu的塑性斷裂行為，甚至塑性形變特征更加明顯，而材料Cu-G10展現(xiàn)出脆性斷裂行為.在逐漸加載過程中，擴(kuò)展裂紋首先從材料受拉應(yīng)力一側(cè)的晶間或界面缺陷等易引發(fā)部位處萌生，且材料表面裂紋萌生阻力越大，材料的極限承載能力越高.經(jīng)真空熱壓燒結(jié)的塊體材料Cu拋光表面無明顯缺陷，如圖2所示.因此，擴(kuò)展裂紋不易從材料Cu表面萌生，且當(dāng)裂紋萌生后高韌性的連續(xù)銅基體也可有效鈍化裂紋，不僅使材料具有高的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)使材料呈現(xiàn)出塑性斷裂行為.然而，材料Cu-G10中石墨粉體均勻分布于銅基體中，石墨相與金屬銅呈弱界面結(jié)合，銅基體的連續(xù)性被嚴(yán)重破壞(圖2) .在受到外載沖擊作用時(shí)，裂紋極易從材料表面的弱界面處萌生并擴(kuò)展，非連續(xù)結(jié)構(gòu)的銅基體對(duì)擴(kuò)展裂紋的鈍化作用有限，一旦裂紋萌生后便可沿著弱界面持續(xù)擴(kuò)展，使材料迅速斷裂(圖3)，導(dǎo)致材料不僅抗彎強(qiáng)度較低，且呈現(xiàn)脆性斷裂特征(圖4)，可靠性降低.對(duì)于3Dd-Cu-G10，當(dāng)材料中的石墨相以三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)時(shí)，石墨相與金屬銅間的弱界面數(shù)量大幅減少，使材料表面的裂紋易引發(fā)點(diǎn)分散于石墨相集中的部位，但石墨相周圍金屬銅的連續(xù)性明顯增大.在外加載荷達(dá)到一定值后，裂紋從材料受到拉應(yīng)力的一側(cè)多點(diǎn)引發(fā)并被連續(xù)銅基體及時(shí)鈍化(圖5)，使得材料表面拉應(yīng)力大幅減弱，此為材料具有較高承載能力的重要機(jī)制[9].并且，隨著外載力的持續(xù)增加，該機(jī)制可從材料表面應(yīng)力集中點(diǎn)向兩邊部位逐漸分散(圖5)，避免應(yīng)力集中，使銅基體顯現(xiàn)出極大的高承載能力和高韌性特征(圖4)[8,10].

Fig.3 Optical micrographs of different copper/graphite self-lubricating composites in three-point bending tests圖3 不同銅/石墨自潤滑復(fù)合材料在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)后的光學(xué)照片

Fig.4 Load-displacement curves of different copper/graphite self-lubricating composites in three-point bending tests圖4 不同銅/石墨自潤滑復(fù)合材料在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的載荷-位移曲線

Fig.5 The optical microscopic and 3D topography of fracture surface of different copper/graphite self-lubricating composites after impact tests圖5 沖擊試驗(yàn)后不同銅/石墨自潤滑復(fù)合材料斷裂面的光學(xué)形貌圖和三維輪廓圖

此外，萌生裂紋鈍化機(jī)制和應(yīng)力分散機(jī)制也是保證材料在外載沖擊作用下具有高沖擊韌性的關(guān)鍵.在外載沖擊作用下，均相銅/石墨材料的裂紋從弱界面處萌生并向金屬銅部位擴(kuò)展，由于銅基體的三維連續(xù)性較差，使相鄰裂紋可快速連接[無頸縮現(xiàn)象的發(fā)生，見圖5(b)]，消耗較少的沖擊破壞能.當(dāng)材料中的石墨相以三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)時(shí)，裂紋仍然從弱界面處萌生并擴(kuò)展，裂紋首先沿著擴(kuò)展阻力較小的石墨相傳播，在此過程中三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨相會(huì)對(duì)裂紋“歧化”，并借助連續(xù)銅基體對(duì)擴(kuò)展裂紋的鈍化作用消耗大量的沖擊破壞能[11].同時(shí)，裂紋的分叉?zhèn)鞑ミ€會(huì)使裂紋受到更多銅基體的鈍化作用，即材料在完全破壞前需要穿越更多的銅基體，使材料具有非常優(yōu)異的沖擊韌性.不同材料遭受沖擊破壞后的斷裂面如圖5所示，從圖5中可以看出，材料3Dd-Cu-G10具有更大的實(shí)際斷裂面積.

2.3 材料摩擦磨損性能

試驗(yàn)測試了室溫條件下材料Cu、Cu-G10和3Dd-Cu-G10在較高承載干摩擦作用下的摩擦磨損性能，試驗(yàn)載荷為120 N，線性振幅為5.0 mm，往復(fù)頻率為5 Hz，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.在重載干摩擦作用下，材料3Dd-Cu-G10的減摩抗磨性能最優(yōu)，材料的摩擦系數(shù)低且數(shù)值變化平穩(wěn)，一直穩(wěn)定在0.08左右，磨損率可低至2.8×10-5mm3/(N·m)，磨痕深度為0.14 mm；材料Cu-G10的摩擦系數(shù)相對(duì)較高且前期呈緩慢上升趨勢，最終穩(wěn)定在0.24～0.26之間，磨損率高達(dá)1.1×10-3mm3/(N·m)，磨痕深度為1.29 mm，磨損率約為材料3Dd-Cu-G10的40倍；材料Cu的摩擦學(xué)性能最差，摩擦系數(shù)高且波動(dòng)較大(0.60～0.66)，磨損率高達(dá)1.4×10-3mm3/(N·m)，磨痕深度為1.82 mm.

試驗(yàn)考察了材料在載荷為10～180 N范圍內(nèi)的工況適應(yīng)性，圖7示出了材料在載荷為10、60和180 N等典型工況下的摩擦系數(shù)曲線和磨損率.從輕載到高載，材料3Dd-Cu-G10均展現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能，材料的摩擦系數(shù)和磨損率均低于材料Cu和Cu-G10.不同載荷下，材料3Dd-Cu-G10的摩擦系數(shù)低且數(shù)值曲線平穩(wěn)，可穩(wěn)定保持在0.08～0.13之間，磨損率均小于2.8×10-5mm3/(N·m)；材料Cu-G10的摩擦系數(shù)相對(duì)較高且波動(dòng)相對(duì)較大，摩擦系數(shù)在0.12～0.37之間；材料Cu的摩擦系數(shù)高且波動(dòng)最大，摩擦系數(shù)在0.50～0.66之間.尤其在更高載荷下(180 N)，材料Cu和Cu-G10在重載條件均出現(xiàn)急劇磨損并與摩擦配副發(fā)生“卡咬”現(xiàn)象，其中材料Cu與配副“卡咬”嚴(yán)重，導(dǎo)致試驗(yàn)停止，材料Cu-G10磨痕深度高達(dá)1.38 mm.然而，材料3Dd-Cu-G10的摩擦系數(shù)可保持在0.12左右，磨損率僅約為2.7×10-5mm3/(N·m)，顯出優(yōu)異的減摩抗磨性能.

2.4 減摩抗磨機(jī)制

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，銅/石墨復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料的摩擦磨損性能具有顯著影響.為揭示材料的減摩抗磨機(jī)制，試驗(yàn)對(duì)材料的表面硬度進(jìn)行表征，材料3Dd-Cu-G10中銅基體部位的顯微硬度為144.6 HV，均相銅/石墨復(fù)合材料的顯微硬度為70.0 HV.圖8示出了材料Cu、Cu-G10和3Dd-Cu-G10在重載條件下的摩擦磨損過程示意圖.

在不同載荷的摩擦滑動(dòng)過程中，材料Cu中由于無石墨潤滑相，無法在材料表面和摩擦配副表面形成具有一定自潤滑效果的摩擦膜[8].而且，由于材料Cu的表面顯微硬度遠(yuǎn)低于配副軸承鋼的表面顯微硬度，在摩擦過程中主要以銅材料的磨損為主，其磨損模式主要為磨粒磨損和黏著磨損兩種.材料Cu在較低載荷下塑性形變較小，由磨損產(chǎn)生的金屬銅多數(shù)以顆粒狀存在于摩擦界面，磨粒磨損成為主要磨損模式.在較高載荷條件下(≥60 N)，材料Cu在摩擦碾壓作用下可發(fā)生一定塑性形變，部分摩擦脫落的金屬銅可轉(zhuǎn)移至配副表面，與材料Cu表面發(fā)生黏著磨損，并且該黏著磨損會(huì)導(dǎo)致摩擦副間的摩擦阻力更大(圖7中材料Cu的摩擦系數(shù)呈逐漸上升趨勢)，使得配副在樣品表面以一定頻率滑動(dòng)時(shí)的實(shí)際線性振幅不斷縮小(圖8和圖9，載荷為60 N時(shí)材料Cu已出現(xiàn)明顯磨損現(xiàn)象，載荷大于等于120 N時(shí)該磨損現(xiàn)象更嚴(yán)重)，磨痕深度不斷增大.

Fig.6 The friction coefficient curves,wear rate and depth of wear scar of different copper/graphite self-lubricating composites at 120 N圖6 120 N條件下不同銅/石墨自潤滑復(fù)合材料的摩擦系數(shù)、磨損率和磨痕深度

Fig.7 The friction coefficient,wear rate and depth of wear scar of different composites at different frictional loads圖7 不同摩擦載荷下不同復(fù)合材料的摩擦系數(shù)、磨損率和磨痕深度

在銅基體中均勻復(fù)合石墨相后，由于石墨低承載及其對(duì)銅基體的割裂作用，使得材料Cu-G10表面顯微硬度和承載能力(表1)大幅下降.但是，潤滑相的存在能夠在摩擦副表面形成摩擦潤滑膜和轉(zhuǎn)移膜(圖8)[12]，顯著減小摩擦副間的摩擦阻力，使其在一定載荷范圍內(nèi)(≤120 N)比材料Cu具有更高的耐磨損性能[8].材料Cu-G10與軸承鋼配副的摩擦過程中，主要以材料Cu-G10磨耗為主，期間會(huì)產(chǎn)生游離的銅顆粒和石墨相，但由于石墨相與金屬銅間的結(jié)合力較低以及石墨相對(duì)銅顆粒的隔離作用，使得材料在輕載和重載條件下產(chǎn)生的銅顆粒很難因碾壓作用而聚集形成黏著磨損，材料的磨損形式以磨粒磨損為主(圖8)[13].但是，由于材料Cu-G10承載能力較低，重載條件下會(huì)在材料表面產(chǎn)生較大應(yīng)變，使材料的表面損傷形式除磨粒磨損外還伴隨切削形式，進(jìn)而導(dǎo)致配副在材料樣品表面以一定頻率摩擦滑動(dòng)時(shí)的實(shí)際線性振幅不斷縮小(圖8和圖9，載荷為120 N時(shí)材料Cu-G10開始出現(xiàn)該損傷現(xiàn)象，載荷為180 N時(shí)該損傷現(xiàn)象更為嚴(yán)重)，“卡咬”現(xiàn)象嚴(yán)重，磨痕深度增大.

Fig.8 Schematic diagrams of frictional process of materials Cu,Cu-G10 and 3Dd-Cu-G10 under high load圖8 材料Cu、Cu-G10和3Dd-Cu-G10在高載下的磨損示意圖

Fig.9 3D topography and microstructures of wear scars of different materials at different frictional loads圖9 不同材料在不同摩擦載荷下的磨斑三維輪廓和顯微形貌

與材料Cu-G10不同的是，材料3Dd-Cu-G10中的石墨相與銅基體以三維雙連續(xù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，石墨相具有一定的富集度，且在材料表面和銅基體之間在宏觀層面構(gòu)成軟/硬交替結(jié)構(gòu)形式.在摩擦作用下，具有一定富集度的石墨相更易被拖敷于摩擦界面[8]，并在交替呈現(xiàn)的銅基體表面快速形成較為連續(xù)的潤滑膜[14].同時(shí)，部分石墨還可轉(zhuǎn)移至摩擦配副表面形成轉(zhuǎn)移膜[15]，將摩擦副間的摩擦作用轉(zhuǎn)變?yōu)闈櫥づc轉(zhuǎn)移膜間的摩擦，顯著降低材料的摩擦系數(shù).尤其是在重載條件下，連續(xù)潤滑膜的形成可顯著避免金屬銅與軸承鋼的直接摩擦，減少嚴(yán)重黏著磨損現(xiàn)象的發(fā)生，而且，連續(xù)的銅基體還可大幅提升材料的承載能力(表1)，減少重載條件下的材料表面應(yīng)變，避免類似材料Cu-G10在摩擦過程中嚴(yán)重磨粒磨損和切削損傷現(xiàn)象的發(fā)生(圖8和圖9).因此，材料3Dd-Cu-G10在摩擦載荷為180 N時(shí)仍然具有優(yōu)異的減摩抗磨性能.圖10給出了材料3Dd-Cu-G10在180 N條件下經(jīng)長時(shí)間摩擦后的摩擦系數(shù)曲線和磨損形貌，材料的摩擦系數(shù)在整個(gè)摩擦過程中較穩(wěn)定且保持在0.10～0.12之間，在整個(gè)摩擦過程中的平均磨損率低至5.3×10-6mm3/(N·m)左右[遠(yuǎn)低于相同條件下90 m內(nèi)的平均磨損率2.7×10-5mm3/(N·m)]，由此可知，經(jīng)一段時(shí)間的磨合后，材料展現(xiàn)出更優(yōu)異的耐磨損性能.

Fig.10 Friction coefficient curve and microstructure of wear scar of material 3Dd-Cu-G10 in long frictional distance at 180 N圖10 材料3Dd-Cu-G10在180 N長行程摩擦條件下的摩擦系數(shù)曲線和磨損表面形貌

3 結(jié)論

a.采用浸漬模板法構(gòu)筑三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)石墨骨架，然后通過填充銅合金粉和熱壓燒結(jié)工藝成功制備了石墨相和金屬銅呈雙連續(xù)三維復(fù)合型結(jié)構(gòu)的銅/石墨復(fù)合材料，顯著減少了石墨相與金屬銅間的弱界面數(shù)量，增大了銅基體的三維連續(xù)性.

b.當(dāng)裂紋從弱界面處萌生后，將沿著擴(kuò)展阻力較小的連續(xù)石墨相傳播，在此過程中三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨相會(huì)對(duì)裂紋“歧化”，并借助連續(xù)銅基體對(duì)擴(kuò)展裂紋的鈍化作用，使材料具有高承載和抗沖擊破壞能力.材料3Dd-Cu-G10的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性分別可分別高達(dá)372±38 MPa和32.8±3.1 J/cm2.

c.采用雙連續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使石墨相更易被拖敷于摩擦副表面形成潤滑膜和轉(zhuǎn)移膜，同時(shí)還可有效借助連續(xù)銅基體的高承載作用，避免嚴(yán)重的黏著磨損和磨粒磨損現(xiàn)象發(fā)生，使材料在重載條件下仍具有優(yōu)異的減摩抗磨性能.材料3Dd-Cu-G10在180 N載荷條件下長行程摩擦過程中的平均摩擦系數(shù)和磨損率可分別低至0.12和5.3×10-6mm3/(N·m).