尺度耦合效应对重负荷高性能铜基摩擦材料摩擦学性能的影响研究

铜基粉末冶金摩擦材料是高速、重载设备用离合器和制动器中的关键材料。随着我国某型装甲车辆传动功率的增加以及传动装置结构的小型化，摩擦材料单位面积上的能量负荷急剧增加，对摩擦材料的耐磨性和耐热性提出了更高要求。纳米技术为改善摩擦材料的性能提供了新的途径。纳米摩擦材料在摩擦磨损过程中，由于纳米组元和微米组元两种尺度下的不同作用机制相互影响，相互耦合，使材料表现出不同于单纯微米和纳米尺度的摩擦学性能，体现出尺度耦合效应。通过研究微米级组元、纳米组元和摩擦副组成的摩擦复合体系中各组元之间的相互关系，尺度耦合效应下的摩擦磨损微观机制及宏观条件(温度、湿度、速度等)对微纳米摩擦体系的影响规律，明确尺度耦合效应对重负荷高性能铜基摩擦材料摩擦学性能的作用机制。为提高粉末冶金摩擦材料的性能提供基础理论依据。

铜基粉末冶金摩擦材料是高速、重载设备用摩擦片的关键材料。随着设备向高速重载及小型化方向发展，摩擦材料承受的单位面积能量负荷越来越大，因而对摩擦材料的耐磨性和导热性提出了更高的要求。本项目以微/纳米SiO2颗粒为增强相和摩擦组元，采用粉末冶金法制备了Cu/SiO2复合材料及铜基摩擦材料。研究了微/纳米SiO2含量、形态及微纳米耦合效应等对铜基摩擦材料物理/力学性能和摩擦磨损性能等的影响，探讨了微/纳米SiO2在摩擦材料中的耦合作用机制。研究结果表明，（1）微/纳米SiO2颗粒耦合对Cu/SiO2复合材料的摩擦磨损性能影响显著；在不同载荷及不同转速下摩擦，同时添加微米SiO2和纳米SiO2的Cu/SiO2复合材料，具有高的动摩擦因数和低的体积磨损率， Cu+0.5wt%纳米SiO2+微米SiO2复合材料的体积磨损率比单独添加微米SiO2增强的Cu/ SiO2复合材料分别低60%(不同载荷)及40%(不同转速)以上。（2）同时添加微、纳米SiO2颗粒的铜基摩擦材料(Cu-3%Sn-6%Zn-18%石墨-0.5~1.0%SiO2)在不同转速和不同载荷下摩擦后的动摩擦因数较高，而体积磨损率最低；与单独添加微米SiO2颗粒的摩擦材料相比，耐磨性提高3倍(不同转速)和8倍(不同载荷)，表现出优异的耐磨性。（3）化学镀镍可以改善SiO2与铜的界面润湿性，添加镀镍微/纳米SiO2耦合增强的铜基摩擦材料的动摩擦因数比普通微/纳米SiO2耦合增强的摩擦材料更高，耐磨性更好。（4）微、纳米SiO2耦合强化铜基摩擦材料的作用机制为，部分纳米SiO2分布于铜与微米SiO2之间，起弥散强化铜基体、稳固石墨，并紧固微米SiO2颗粒的作用，减少了因微米SiO2脱落带来的磨粒磨损，同时降低了远离微米SiO2处铜和石墨的磨损；而微米SiO2起到支撑基体和石墨的作用，在摩擦中有利于提高表面动摩擦因数，因此在降低磨损的同时达到了提高动摩擦因数的目的。纳米、微米组元耦合效应对铜基摩擦材料摩擦学性能的影响规律和作用机理，可指导具有稳定摩擦系数、高耐热和耐磨性能铜基摩擦材料的研究与开发，为纳米材料在粉末冶金摩擦材料中的应用提供了理论依据，具有重要的科学实践意义。