辐照环境下Cu- Ti3AlC2滑动电接触材料电弧烧蚀机理和润滑机理研究

The sliding electrical contacts is to conduct current between the rotating part and stationary part in the electrical-rotor systems of motors and generators. Therefore, it is desirable for the electrical contact materials to possess as little electrical and thermal resistance as possible, meanwhile excellent arc erosion resistance and wear-resistance properties are also required. Ti3AlC2 is one of the new layered ternary ceramics which combines the good properties of ceramic and metal, such as high strength, excellent toughness, good electrical conductivity, low friction, arc erosion resistance,resist irradiation, is considered to be lubricant. The composite lubricated with Ti3AlC2, instead of G（MoS2）, would have higher mechanical strength, electrical and thermal conductivity, resist irradiation and wear resistivity. In this study, Cu-Ti3AlC2 composites will be fabricated by means of Spark Plasma Sintering technique , hot-pressing technique and the fabrication parameters (temperature，pressure，time) will be studied. We will investigate the effect of irradiation (gamma ray, electron beam, ion beam and neutron beam) on the electrical wear properties, arc erosion resistance,mechanical and physical properties of Cu-Ti3AlC2 composites. The influence of irradiation (gamma ray, electron beam, ion beam and neutron beam ), volume fraction of Ti3AlC2 and distribution, current density (from 0A/cm2 to 20A/cm2), pressure(from 5N/cm2 to 30N/cm2) and sliding speed(from 2m/s to 10m/s) on the wear loss, contact voltage drop, friction coefficients, arc rate will be studied. The microstructure of worn surface of composites and the worn chips will be analyzed by SEM and X-ray. The electrical wear and arc erosion mechanism of Cu- Ti3AlC2 will be discussed.

针对在空天、核能等环境条件下使用电接触材料的性能要求，通过用既有润滑、高的强度又有良好的抗辐照性能、抗电弧烧蚀性能的Ti3AlC2 代替石墨（MoS2）作为润滑剂，在不降低电接触材料润滑性能的情况下，提高其抗辐照性能和电弧烧蚀性能。通过对电接触材料在不同辐照条件（中子、离子、电子、伽马辐照）下润滑性能（接触电压降、摩擦系数、电磨损量）、电弧烧蚀性能（电弧能量、电弧寿命、电弧烧蚀速率）的系统测定，建立辐照种类、辐照强度、辐照剂量和电接触材料润滑性能、电弧烧蚀性能之间的本构关系，弄清在辐照环境下的各种损伤机制（材料转移、粘着、氧化、烧损、熔焊等）所起作用以及Ti3AlC2的影响。本项目的研究将丰富电接触材料在不同辐照条件（中子、离子、电子、伽马辐照）下的润滑、电弧烧蚀理论，为新型电接触材料的成分设计和性能改善提供必要的科学基础。

针对在空天、核能等环境条件下使用电接触材料的性能要求，通过用既有润滑、高的强度又有良好的抗辐照性能、抗电弧烧蚀性能的Cu-Ti3AlC2 代替石墨（MoS2）作为润滑剂，在不降低电接触材料润滑性能的情况下，提高其抗辐照性能和电弧烧蚀性能。在氩气气氛保护下，采用无压烧结的方法制备Ti3AlC2粉末材料，得到Ti3AlC2材料的纯度高达98%。采用热压烧结的方法制备Cu-Ti3AlC2复合材料，随着Ti3AlC2含量的增加，Cu-Ti3AlC2复合材料的致密度逐渐下降，电阻率逐渐升高，抗弯强度逐渐降低，布氏硬度先升高后降低。. 采用电子辐照的方法，原位探究不同电子辐照能量对Ti3AlC2材料形貌、成分以及结构的影响，100 keV的电子辐照能量不足以提供原子脱离晶体结构所需要的最小能量，所以材料的形貌并没有发生改变。增加辐照能量到200 keV，材料有孔洞和“波浪”的形貌形成，Al原子和Ti原子的比值逐渐减小，但是没有非晶环出现。Ti3AlC2材料的离子辐照发现：Ti3AlC2样品表面有Al2O3相生成。当He离子浓度增大时，生成的Al2O3相随之增多，辐照损伤程度也随之增大。Ti3AlC2材料经过He离子辐照后，材料表面会有孔洞、凸起和氦气泡产生，同时Ti3AlC2结构上发生ɑ相到β相的转变。. 使用自制电弧烧蚀装置，探究Ti3AlC2含量对Cu-Ti3AlC2复合材料电弧烧蚀性能的影响，样品表面都有凹陷和喷溅产生，发生分解并氧化成CuO，TiO2和Al2O3。随着Ti3AlC2含量的增加，铜基体被氧化，有裂纹产生。随着击穿电压的增加，击穿电流逐渐增加，电弧烧蚀区域的半径逐渐增加，电流密度逐渐减小，导致“火山口”形貌深度变浅。. 使用自制的电磨损实验机研究Cu-Ti3AlC2复合材料的电摩擦磨损性能，结果表明，随Ti3AlC2含量增加，Cu-Ti3AlC2复合材料接触电压降增加、摩擦系数减小、磨损速率先减少然后增加；随电流密度增加，复合材料接触电压降、摩擦系数、磨损速率增加；随压力增加，复合材料接触电压降增加，摩擦系数、磨损速率先减少然后增加；随滑动速度增加，复合材料接触电压降增加，摩擦系数减小，磨损速率先减少然后增加；随温度增加，复合材料磨损速率先增加然后减小