Nb1-xTixSe2（x=0.01-0.1）的制备及作为电接触复合材料摩擦学特性研究

Electricity contact materials have low friction and wear and good electrical conductivity at high temperature. NbSe2 is one of solid lubrication materials with very low resistivity (3.5 x 10-4 Ω.cm), decreasing frictional reducing wear characteristic at high temperature s. However, its expensive price limited wide application. A kind of new approach to synthesize NbSe2 using Nb recovered from superalloy scraps (Inconel781) will be designed from the consideration of lower cost, environmental protection and resources regeneration. Nb element in superalloy scraps is mainly present in the γ ′phase (Ni3 (Ti,Nb) ), difficult to separate between Nb and Ti element. Therefore, we design a new kind of material Nb1-xTixSe2 (x = 0.01-0.1). The preliminary calculation's results using first principles confirmed that its structure of Nb1-xTixSe2 is similar that of NbSe2 according to density of States and Fermi level. Furthermore, Nb1-xTixSe2 has low friction coefficient and wear resistance similar to that of NbSe2 from friction experiment results. In this project, the influence that the content of Ti on the structure, the conductive property and tribological properties under current-carrying conditions of Nb1-xTixSe2. Furthermore, the relationships between material compositions and its conductive property, wearing resistance, arcablation resistance, chemical stability, hardness, and intensity will be studies. The mechanism of friction and wear under current, thermal and mechanical stress will also be determined, which will provide the foundation for developing newly electrical contact material.

电接触材料要求耐高温、低摩擦磨损和良好的导电性，固体润滑材料中，NbSe2具有很低的电阻率（3.5×10-4Ωocm），和优良的耐高温和减摩耐磨特性，然而由于价格昂贵难以推广使用。从低成本、环保和资源再生考虑，从含Nb高温合金（Inconel781）废料中提取Nb来制备NbSe2；Nb主要在γ′相（Ni3（Ti，Nb））中，Nb、Ti很难完全分离。因此我们设计了一种Nb1-xTixSe2（x=0.01-0.1），从第一性原理出发，对其进行初步计算，从态密度和费米能级看其结构和NbSe2类似，为导体材料，同时从摩擦实验发现，其摩擦系数和耐磨性和NbSe2类似。在此基础上本研究Ti的含量和结构对Nb1-xTixSe2导电性能的影响，以及在载流条件下的摩擦，探讨材料的导电性、耐磨性、耐电弧烧蚀、化学稳定性以及硬度、强度和材料成分的关系，揭示其在电流和热以及机械应力下的摩擦机理，为开发新型电

电接触材料用在电机和发电机组、仪器仪表的固定部件和旋转部件（如电刷、换向器等）之间传导电流。载流下的摩擦，综合了材料的导电、耐磨、耐电弧烧蚀、化学稳定性以及硬度、强度和耐冲击性等一系列的性能。要求兼具耐高温、低摩擦磨损和良好的导电性。Cu/Ag-石墨、MoS2是典型的电接触材料。石墨只是在大气或潮湿环境下具有润滑性，而在干燥环境和真空下无润滑作用，MoS2用来弥补石墨的不足。MoS2的电阻率为102Ω•cm量级，而NeSe2的电阻率为10-4Ω•cm其摩擦特性和MoS2类似。但其价格昂贵，限制了其使用。考虑成本和资源利用，我们设计从含Nb高温合金（如Inconel781）返回料中提取Nb作为原料。而Nb主要在γ´相中（Ni3（Ti，Nb））中，Nb和Ti很难完全分离，为此设计了一种Nb1-xTixSe2的材料，大幅降低成本。在摩擦学中多组分固体润滑材料的合理配伍，会对材料的性能产生良好的协调作用。首先从第一性原理出发对于掺杂Nb1-xTixSe2进行了计算，对Ti替代NbSe2中Nb的位置和Ti在NbSe2晶体中间隙位置两种情况下的态密度进行了研究；进而对过渡族金属M（M=Ti、Mo、W、V、Ta）在NbSe2中的掺杂也做了计算；同时用固相法和熔盐法分别合成了NbSe2，以及掺杂Ti的NbSe2的纳米片和纳米纤维，以及多种过渡族金属硒化物纳米掺杂的材料。并用X射线，扫描/透射电镜等手段对成分、结构等进行了表征。在此基础上制备了Cu/Ag-NbSe2以及Nb1-xTixSe2电接触复合材料，并对其在不同温度下的摩擦行为进行以研究。发现在室温下含NbSe2的电接触复合材料和MoS2类似，但300°C时材料的磨损率却比MoS2的高出很多，其原因是烧结过程中MoS2部分分解和基体形成Cu2S（Ag2S）使得复合材料致密性和硬度提高，改善了耐磨性。而Cu2Se易于氧化，材质疏松，降低了耐磨性。我们在复合材料中加入少量的Cr，在烧结过程中形成Cr2Nb硬质颗粒，使得复合材料的硬度和抗氧化性得到提高，进而在300°C的磨损降低了3倍左右，而材料的电阻率仍然比Cu/MoS2低三个数量级。该研究为新型电接触复合材料的开发打下坚实的基础。