摘  要：我们在WS₂石墨复合材料（KCL）和WS₂-W复合材料（KFC）中分别选取了三种不同成分的试样进行测试，记录了其在某一电流和旋转次数下接触电阻和摩擦系数的变化。结果发现，施加电流的KCL材料接触件的接触电阻发生了显著变化，而KFC在不到20mΩ的范围内变化很小且稳定。增加旋转次数（直到1200次），这一趋势也没有改变。据推测，这是由于滑动表面受氧化的重大影响。KCL接触件复合材料的接触电阻随着旋转次数的增加而增加。另一方面，KFC接触件复合材料的摩擦系数随着施加电流的增加而增加，但KCL接触件复合材料的摩擦系数较低，稳定在0.2左右。结果发现，KFC接触件复合材料在接触电阻和摩擦系数方面具有较大的优越性。

关键词：复合材料；接触电阻；摩擦系数；滑动接触件

1 引言

先进技术的发展迅速拓宽了对滑动接触件的需求领域，滑动电接触件如今正发挥着重要作用^[1-3]。此外，人们还要求开发环保材料来逐步替代金属铅和镉^[4-5]。近年来，固态润滑剂已经部分应用于这种滑动接触件。由于固态润滑剂的电阻率比金属高出约两位数，因此固态润滑剂已经用于与高导电金属的复合材料中。

近年来，人们已经开发出各种复合材料，并且有增加对具有高导电性和高机械强度的复合材料的需求的趋势。在这一趋势下，新型复合材料，即WS₂石墨复合材料（KCL）和WS₂-W复合材料（KFC）便应运而生。

在本研究中，我们制备了三种不同材料成分的KCL接触件材料试样和KFC接触件材料试样，并对其进行了性能测试，以分析接触电阻和摩擦系数与电流和转数之间的关系。结果，我们发现KCL试样的接触电阻相对于施加的电流有着明显变化，而KFC接触件材料试样表现出低而稳定的接触电阻（小于20mΩ）。

此外，当旋转次数增加时，KCL接触件材料试样的接触电阻趋于增加，KFC接触件材料试样的摩擦系数则随着施加电流的增加而增加。另一方面，KCL接触件材料试样的摩擦系数较低，稳定在0.2左右，即KCL试样在滑动过程中表现得相对稳定。研究发现，KFC接触件复合材料因其优异的接触电阻和摩擦系数而非常适合作为滑动接触件。本报告详细描述了这一项目研究结果。

2 测量方法

图1显示我们所制备的滑动接触件试样的形状。表1列出了这些滑动接触件试样的化学组成成分。表2列出了滑动接触件试样的物理特性。

图1 滑动接触件试样形状

表1 滑动接触件试样的化学成分

表2 滑动接触件试样的物理性能

针形试样由KCL或KFC接触件材料或铜制成。与针形试样结合的盘形试样由铜制成。使用的铜是JISH-3510无氧铜（99.99%铜）。每个针形试样的末端曲率半径为3.5mm，每个铜盘状试样的直径为30mm。三种WS₂石墨复合材料分别称为KCL-4、KCL-5和KCL-6，三种WS₂-W复合材料则分别称为KFC-3、KFC-4和KFC-5。

图2是所用接触件测量系统示意图。本接触件材料实验使用原型低速摩擦试验机，并采用针-盘接触法。接触电阻和摩擦系数同时测量，并将接触件测量数据存储在PC机和记录仪中。考虑到接触件试样对焦耳热的耐热性能，我们将所施加的电流设置为10A或10A以下。表3列出了相关的接触件测量条件。我们采用电子探针显微分析仪（EPMA）测量滑动表面上的元素分布，加速电压为15kV，电子束直径为50μm。

图2 接触件测量系统原理图

表3 接触件测量条件

3 接触电阻和摩擦系数与旋转次数的关系

图3和图4表示6种接触件复合材料试验和铜材试样的性能测量结果。

（电流为10A，接触件载荷：5N，转速：10rpm（0.013m/s））

图3 接触电阻与旋转次数之间的关系

（电流为10A，接触件载荷：5N，转速：10rpm（0.013m/s））

图4 摩擦系数与旋转次数之间的关系

如图3所示，当铜盘与针状铜材组合，旋转次数达到1200次时，接触电阻为0.5mΩ。这一接触电阻比铜盘与接触件复合材料针状试样组合低出1到2个点。从表2可以看出，铜材的维氏硬度较低。因此，在施加较大负载（5N）时，我们可以把它看作是铜材试样滑动表面绝缘膜遭受损坏，并通过粘着磨损与新生成的滑动表面接触。这就降低了Cu与Cu之间的接触电阻。

接下来，我们再来测试铜盘与KFC接触件材料试样（KFC-3、KFC-4或KFC-5）的组合。KFC接触件材料的电阻率仅次于铜材。当旋转次数在1200以内时，这种组合的接触电阻较低，且保持稳定（5mΩ至15mΩ）。另一方面，KCL试样（KCL-4、KCL-5和KCL-6）的接触电阻比KFC接触件材料试样高5到10倍，并且随着旋转次数的增加而趋于增加。与其他KCL接触件材料试样相比，KCL-6所含的固态润滑剂的量更高（WS₂为30.5重量%，石墨为9.5重量%），当旋转次数从200增加到400时，接触电阻迅速增加，当旋转次数从800增加到1200时，出现了较高而不稳定的接触电阻（约为90mΩ至100mΩ）。

此外，在图4中我们可以看出，当旋转次数增加到1200时，KFC接触件材料试样的摩擦系数逐渐增加，与KCL接触件材料试样相比相对较高（0.3至0.6）。当旋转次数在高达1200的范围内时，KCL接触件材料试样的摩擦系数约为0.2。

因此，当旋转次数在高达1200范围内时，KFC接触件材料试样的摩擦系数比KCL试样高出约0.1至0.5。另一方面，KFC接触件材料试样的接触电阻为5mΩ至10mΩ；该电阻约为KCL试样的1/5至1/10。这表明，KFC接触件材料试样一直保持低而稳定的接触电阻，而KCL接触件材料试样在滑动过程中可提供平稳的运动。

4 接触电阻和摩擦系数与电流的关系

图5显示六种接触件复合材料试样和铜材试样的接触电阻与电流之间的变化关系。图6显示这些接触件试样的摩擦系数与电流之间的变化关系。

（接触件载荷：5N，转速：10rpm（0.013m/s））

图5 接触电阻与电流关系曲线

（接触件载荷：5N，转速：10rpm（0.013m/s））

图6摩擦系数与电流的关系

如图5所示，含有少量WS₂（30wt.%）的KFC-3与铜盘结合后，当电流为0.5A至10A时，其接触电阻为5.9mΩ至8.9mΩ。这一接触电阻值很低，仅次于铜-铜接触件的接触电阻，并取决于平均电阻率，因为接触件复合材料之间的电阻率关系如表2所示：KFC-3

另一方面，含有大量固态润滑剂的KCL-6的接触电阻为33.5mΩ至148.5mΩ。该接触电阻比KFC-3高出1到2位数。可以认为，这种结果是由于KCL-6具有较高的电阻率造成的。如图6所示，KCL-6的摩擦系数约为0.2，即使电流从0.5A大幅上升到10A，其变化幅度也很小。

当电流在0.5A至10A的范围内时，KCL接触件材料试样的接触电阻是KFC试样的2至10倍，但KCL接触件材料试样的摩擦系数约为0.2，比KFC接触件材料试样低约0.1至0.3。可以认为，这些特性是由滑动表面的氧化引起的。下一节，我们将介绍滑动表面的EPMA分析。

5 滑动表面元素分析

我们使用EPMA方法来分析所产生的滑动摩痕。表4列出了三种KCL接触件材料试样和组合铜盘的表面分析结果，表5列出了三种KFC接触件材料试样和组合铜盘的表面分析结果。

如表4和表5所示，三种KCL接触件材料试样在10A电接触滑动后的Cu、Ni和Sn的X-射线强度低于标准试样。同样，如表5所示，三种KFC接触件材料试样在10A电接触滑动后的W和S的X-射线强度也低于标准试样。对于滑动后的KCL接触件材料试样，Cu的X-射线强度在1176.0cps至1621.0cps范围内，Ni的X-射线强度在120.0cps至414.5cps范围内，而Sn的X-射线强度则在164.0cps至291.0cps范围之内。对于滑动后的KFC试样，W的硬度在1534.5cps至1772.0cps范围内，S的硬度则在81.5cps至133.5cps范围。接下来，对于滑动后的KCL和KFC接触件材料试样，O的X-射线强度在46.5cps至2016.5cps范围内；该强度高于标准试样的强度。可以估计，其滑动表面覆盖着一层WS₂和CuO等高（电）阻润滑膜。

表4 三种KCL接触件材料试样和复合铜圆盘X射线强度

（电流：10A，接触件负载：5N，转速：10rpm（0.013m/s），加速电压：15kV，光束直径：50μm）

对于与KCL接触件材料试样结合的Cu试样，我们可以从表4中看出，Cu的X-射线强度在2998.5cps至4124.0cps范围内，Ni的X-射线密度在4.0cps至49.5cps的范围之内。而对于与KFC接触件材料试样结合的Cu试样，W的X-射线强度在63.0cps至181.5cps范围内，S的X射线密度在9.5cps至40.0cps的范围，见表5所示。这些数值远远高于标准试样的值。在与KFC接触件材料试样结合的Cu试样中，与标准试样相比，W和S的检测率很高。这意味着KFC接触件材料试样中含有的某些W和S转移到Cu试样中。

表5 三种KFC试样和复合铜圆盘X射线强度

（电流：10A，接触件负载：5N，转速：10rpm（0.013m/s），加速电压：15kV，光束直径：50μm）

在与KFL-3结合的铜材试样滑动表面上，Cu所检测的X-射线强度为751.0cps，而W的X-射线强度为63.0cps；这些数值相当高。不过，S的X-射线强度为9.5cps，O的X-射线强度为36.0cps；这些数值相当低。由于KFC-3滑动表面的O的X-射线强度低，这意味着这些表面的氧化程度较低。这也可以解释KFC-3在10A电接触滑动时其接触电阻最低（5.9mΩ），见图5所示。

KCL-6在六种复合材料试样中表现出最高的接触电阻，其Cu、W、S和C所检测的X射线强度很高。特别是，KCL-6的O的X-射线强度为2016.5cps；该强度比标准试样高出1位数。由于KCL-6具有高电阻率（13.25μQ·m，见表2）和高焦耳热值，可以认为其滑动表面易于发生氧化。

表6 KLC试样与KCF试样对比

从表6可以看出，KFC接触件材料试样中W的X-射线强度是KCL试样的两倍，S的X-射线强度也相对较高。另一方面，KFC接触件材料试样中O的 X-射线强度为KCL试样的1/10至1/20。所以，我们发现氧化膜（如CuO膜）的影响很小，WS₂倾向于向滑动表面移动。由于KCL接触件材料试样的Cu和O的X-射线强度比KFC接触件材料试样高出约1位数，因此，我们可以认为KCL接触件材料试样容易受到氧化的影响。

6 结论

本研究分别制备并检测了三种不同接触件材料成分的WS₂石墨复合材料（KCL）试样和三种不同WS₂-W复合材料（KFC）试样，以分析接触电阻和摩擦系数与电流和转数之间的关系。此外，我们还使用EPMA分析了沉积在滑动表面上的元素的分布情况。因此，我们得出以下几个结论：

1）在三种KFC接触件材料中，KFC-3含WS₂最少（30wt%），具有较低的接触电阻（5.9mΩ~8.9mΩ）和较高的摩擦系数（0.3~0,5），但其波动范围较窄，在0.5A~10A较宽的导电范围内其特性较为稳定。这一EPMA分析结果表明，KFC-3的滑动表面受氧化物的影响较小。

2）KCL-6含有大量的WS₂和石墨，表现出低而稳定的摩擦系数（约为0.2）。其接触电阻相对较高：33.5mΩ至148.5mΩ。我们可以认为，这种效应是由于KCL-6在所有六种复合材料中具有最高的电阻率造成的。

3）KFC接触件材料试样，除WS₂外，不含其他固态润滑剂，具有较高的摩擦系数，比KCL试样的摩擦系数高出0.1~0.3。不过，当旋转次数或电流发生变化时，摩擦系数的波动范围较窄。KFC试样的接触电阻是KCL试样的1/5~1/10。这表明，KFC试样具有较低的接触电阻和稳定的特性。

4）KFC接触件材料试样中W和S的X-射线强度高于KCL试样。这意味着KFC试样中含有的WS₂容易沉积在滑动表面上。

5）KCL接触件材料的Cu和O的X-射线强度比KFC材料大约高出1位数。由于KCL材料表现出高电阻率和高焦耳热值，我们可以认为，KCL滑动表面容易出现氧化。

参考文献：

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