Page 54 - 摩擦学学报2025年第4期

542 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

硬度和拉伸强度逐渐减小. 这是因为石墨尺寸较大使 时的实时摩擦系数. 由图6可知，纯铜的摩擦系数抖动
得单片石墨在样品中所占体积较大，在测试中容易在 较大，其余材料则相对平稳. 加入石墨后，S2实时摩

石墨内部发生破坏从而影响样品的物理力学性能. 擦系数前后变化较大，这可能与其高磨损率有关. 加

2.3 复合材料的摩擦学特性 入Ti SiC 后，S3的实时摩擦系数与纯铜相比平滑了不
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图5(a)所示为复合材料不同载荷下(摩擦试验的 少. S4的实时摩擦系数最平稳，表明其摩擦稳定性最
转速为800 r/min)的平均摩擦系数，S1为纯铜样品，由 好. 而S5的实时摩擦系数在前期较为稳定，但在60 s左
于材料中缺乏润滑组元和摩擦组元，其摩擦系数高达 右会发生骤变，且后续波动较大，而S6的摩擦系数在
0.6. 单独加入石墨润滑相后，摩擦系数稳定在0.3左 45 s左右就发生骤变. 对于Ti SiC /石墨铜基复合材料，
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右，摩擦系数得到显著降低. 由于Ti SiC 具备一定程 随着石墨尺寸的增加其磨损率不断增加，大量磨屑存
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度的润滑性，因此单独加入Ti SiC 使得样品S3的摩擦 在于摩擦副之间使其摩擦稳定性降低，因此石墨粒径
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系数对比纯铜而言有所下降，其摩擦系数在0.5左右. 越大，实时摩擦系数波动越大.

加入镀铜Ti SiC 和镀铜石墨双相颗粒后，铜基复合材 2.4 摩擦表面分析
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料的摩擦系数进一步降低至0.4左右. 在低载荷下S5和 图7所示为复合材料在80 N和800 r/min条件下摩
S6的摩擦系数要低于S4. 随着载荷的增加S5和S6的摩 擦后微观形貌的SEM照片. 纯铜表面沿滑动方向发生
擦系数逐渐高于S4并不断增加. 尤其是，随着载荷的 严重的塑性变形和黏着磨损[图7(a)]. 对于加入镀铜石
增加，S4的摩擦系数呈现先减后增的趋势，这可能是 墨的复合材料[图7(b)]，可以观察到其表面发生了严
样品中的Ti SiC 要在一定载荷下才能起到润滑作用. 重的剥落，由于样品的整体强度不高，材料中石墨受
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图5(b)所示为图5(a)对应的磨损率. 由图5(b)可 到挤压易发生分离剥落，所以S2有着较高的磨损率，
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见，S1的磨损率很高，在4×10 cm /(N·m)左右，加入 同时大量剥落的石墨吸附在摩擦表面或残留在摩擦
石墨后样品的磨损率降低程度较小，这是由于样品 盘上可以起到润滑作用，因此S2有最低的摩擦系数.
的整体强度不高所致. S3的磨损率与S2相比下降了 与它们相比，S3的磨损表面更光滑[图7(c)]，没有明显
52.67%，这归结于Ti SiC 对复合材料物理力学性能的 的材料剥落现象. 对于Ti SiC /石墨铜基复合材料，可
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提升. 而Ti SiC /石墨铜基复合材料(S4)则有着材料中 以发现S4的磨损表面极其平整[图7(d)]，在其表面除
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最低的磨损率[0.54×10 cm /(N·m)]. 同时S5和S6的磨 了黑色的石墨相外，还可以观察到白色区域和灰色区域，
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损率都要高于S4，这是因为小尺寸石墨使复合材料组 对二者进行EDS元素分析. 测得白色区域Ti、Si、C和O
织的均匀性得到提高，这有利于基体中的石墨在摩擦 元素质量分数分别为3.11%、0.82%、12.37%和18.57%，
过程中均匀地向摩擦接触面提供润滑介质，因此石墨 如图7(d)中EDS1所示；灰色区域Ti、Si、C和O元素质
粒径的减小有助于其为复合材料提供更好的自润滑 量分数分别为6.46%、1.12%、19.74%和28.7%，如图7(d)
效果，从而降低磨损率. 中EDS2所示. 因此，推断白色区域主要为铜及其氧化
图6所示为不同铜基复合材料在80 N和800 r/min 物，灰色区域主要为Ti-Si氧化物及石墨. 摩擦过程中，

0.9 (a) 6 (b)

0.8 S1 S4 S1 S4
S5
S2
S5
S2
0.7 S3 S6 5 4 S3 S6
Friction coefficient 0.5 Wear rate/[10 −6 cm 3 /(N·m)] 3
0.6
0.4
0.3
0.2 2
0.1 1
0.0 0
40 50 60 70 80 90 100 40 60 80 100
Load/N Load/N
Fig. 5 Friction coefficient and wear rate for the composite tested under varied load of 800 r/min:
(a) friction coefficient; (b) wear rate
图 5 800 r/min不同载荷下复合材料的摩擦系数和磨损率：(a)摩擦系数；(b)磨损率