本發明涉及一種空天環境導電滑環產品用納米復相潤滑超低磨損電接觸材料及制備方法。

背景技術：

滑動電接觸材料是人造航天器、載人空間站、高空飛行器等機構，也就是航空、航天用導電滑環/匯流環產品中不可或缺的關鍵功能材料，用于旋轉機械機構中的電功率和信號的穩定傳輸。在超高空(大于海拔15000m)、空間及宇航機械中，其高可靠性電刷-滑環系統要求其電刷材料具有低的磨損率，低的磨屑生成量，以保證系統運行的壽命長，系統可靠性高；具有低的摩擦系數，以降低傳動力矩，減少系統驅動能耗；具有低的接觸電阻和電噪聲，以提高電流傳輸效率和準確性。傳統的同類材料盡管能夠滿足部分應用需求，但其服役壽命有限，且磨屑量較高，較多磨屑的存在會降低導電滑環的可靠性。

技術實現要素：
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本發明的目的是：采用兩種納米級固體潤滑劑粉末協同作用的方法，獲得一種具有超低磨損率和穩定真空滑動電接觸性能的新型銀基固體自潤滑電接觸材料，所得材料實現了對傳統的、單一潤滑相添加型銀基固體潤滑復合材料的技術改進和性能提升。

本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料；所述材料中含有二硫化鎢(ws2)、二硫化鉬(mos2)和銀(ag)。

作為優選方案，本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料；所述材料以質量百分比計包括下述組分：

二硫化鎢(ws2)10.00～30.00％，優選為10.00～15.00％；

二硫化鉬(mos2)5.00～20.00％，優選為5.00～15.00％；

余量為ag。

作為進一步的優選方案，本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料；所述材料以質量百分比計包括下述組分：

二硫化鎢(ws2)15.00％；

二硫化鉬(mos2)5.00％；

余量為ag。

作為進一步的優選方案，本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料；所述材料以質量百分比計包括下述組分：

二硫化鎢(ws2)10.00％；

二硫化鉬(mos2)8.00％；

余量為ag。

作為優選方案，本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料；所述材料，是以銀粉、納米二硫化鎢(ws2)粉末和納米二硫化鉬(mos2)粉為原料，經由粉末冶金工藝制備而成。

作為優選方案，所用銀粉是超細銀粉，所述超細銀粉的平均粒徑小于1μm，且超細銀粉中ag的質量百分含量大于等于99.99％。

作為優選方案，所用二硫化鎢(ws2)粉的平均粒徑小于100nm；且二硫化鎢(ws2)粉末中，ws2的質量百分含量大于99.9％。即二硫化鎢(ws2)粉末的純度大于99.9％。

作為優選方案，所用二硫化鉬(mos2)粉末的平均粒徑小于100nm；且二硫化鉬(mos2)粉末中mos2的質量百分含量大于99.9％。即二硫化鉬(mos2)粉末的純度大于99.9％。

本發明同時采用適量的納米級別的二硫化鉬顆粒和二硫化鎢顆粒兩種物質作為固體潤滑相，實現了材料的復相、高效固體潤滑。

本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料的制備方法；包括下述步驟：

步驟一混料

按設計比例和質量分別稱取銀粉、二硫化鎢粉末、二硫化鉬粉末，在110-130℃、優選為120℃下干燥20-28h、優選為24h，然后將稱取的銀粉、二硫化鎢粉末、二硫化鉬粉末混合均勻，得到混合粉末；

步驟二壓制

將步驟一所得混合粉末置于模具中，用250～300mpa的壓力對混合粉末進行壓制，保壓時間1～5min，獲得壓坯；

步驟三燒結

將步驟二所得壓坯置于燒結爐內，在氫氣氣氛或真空氣氛下，于700℃～780℃燒結30min～40min，隨爐冷卻；得到燒結坯；

步驟四整形

將步驟三所得燒結坯置于模具中，采用500mpa～900mpa的壓力對燒結坯進行整形；得到成品。

本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料的制備方法；步驟一中，按設計比例和質量分別稱取銀粉、二硫化鎢粉末、二硫化鉬粉末，在120℃下干燥24h，然后將三種粉末放入球磨罐中以220-280r/min、優選為250r/min的轉速球磨12～24h，球料質量比為1～3:1、優選為1:1，獲得混合粉。

本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料的制備方法；步驟二中，根據材料終態形狀和尺寸的需要，選取相關的鋼制模具，按產品質量要求稱取混合粉末放置于粉末壓制模具中，采用250～300mpa的壓力對混合粉末進行壓制，保壓時間1～5min，即獲得所需電接觸材料壓坯。

本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料的制備方法；步驟三中，燒結后，隨爐冷卻至室溫。

本發明納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料的制備方法；步驟四中，將所得燒結坯放置于壓制模具中，采用500mpa～900mpa的壓力對燒結坯進行整形，以消除內部缺陷，并獲得最終外觀尺寸精度要求。

本發明所設計和制備的米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料；其密度≥理論密度的97％，抗彎強度>120mpa，抗壓強度>140mpa，靜態接觸電阻<2.0mω，硬度(hb)>50，在真空(<～10^-3pa)低速(<10r/min或線速度<1.5m/min)低載荷(正壓力小于1n)低載流(電流≤6a)的條件下，對偶體為90ag10cu時，經1km～3km跑合后，材料的摩擦系數可穩定在0.15-0.20區間，磨損率<1.0×10^-14m³/n·m，平均接觸電壓降<80mv，電噪聲(rms值)<5mω，累計服役壽命或總里程能夠達到200萬轉或100km，磨屑量極其微小。

經本發明的優化后，抗彎強度可為140-166mpa、抗壓強度可為170-183mpa、靜態接觸電阻可為0.40-0.55mω、平均接觸電壓降<40mv、10rpm所得電噪聲rms值<1.6mω。

本發明的創新點及技術優勢：

1)本發明所涉及的納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料及其制備方法，通過綜合應用適量納米雙相的協同潤滑、超細顆粒磨損強化的理念，對材料進行潤滑與磨損強化設計與工程實施，實現了對該類材料的近凈成形、高性能、低成本制造。

2)利用適量納米二硫化鎢和二硫化鉬的協同作用，實現了材料在真空載流摩擦過程中的快速、穩定潤滑；利用其納米顆粒強化效應，實現了材料磨損率的顯著提升。與國產同類型材料相比較，材料的磨損性能和電接觸穩定性明顯改善，實現了對國產同類材料的性能升級。

3)本發明所涉及的納米復相潤滑電接觸材料(ag-xws2-ymos2)在低速(<10rpm)、低載荷(<1n)真空載流摩擦磨損時，可達到極少或基本無磨屑的狀態，切實解決了因該材料服役過程多余物較多所引發的導電環產品可靠性降低問題。

4)本發明所涉及的納米復相潤滑電接觸材料制備方法，采用粉末冶金近凈成形技術解決了傳統熱壓工藝制備銀基固體潤滑復合材料過程中所存在的工藝流程長、機加工量大、材料利用率低、材料批次穩定性和一致性差等問題，提升了材料的性能和品質，節約了材料制造成本。

附圖說明

圖1：是實施例2所制備的納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料的顯微形貌圖。

圖2：是實施例2所制備的納米復相潤滑超低磨損空天電接觸材料在性能檢測時所得的滑動速率對ag-xws2-ymos2材料真空載流摩擦磨損特性的影響示意圖。

圖1表明，所得材料中潤滑相分布均勻彌散。

圖2表明，該材料真空載流摩擦特性呈現如下規律:同載荷條件下，材料的真空載流摩擦系數隨滑動速度的增加而降低，磨損率和接觸電壓降隨滑動速度的增加而增加。

具體實施方式

在本發明的實施例和對比例中，所用銀粉中ag的質量百分含量大于等于99.99％，粒度小于2μm；所用二硫化鎢(ws2)粉末的純度大于99.9％，粒度小于100nm；所用二硫化鉬(mos2)粉末的純度大于99.9％，粒度小于100nm。

實施例1：

所述衛星導電滑環用新型銀基固體自潤滑電刷材料的組分(質量百分比)為：ag-30ws2-5mos2，其中ag粉含量65％；ws2粉末含量30％；mos2粉末含量5％。

電刷制備方法包括以下步驟：

(1)混料

ag粉、ws2粉及mos2粉，在120℃下干燥24h后，按照比例稱三種粉末，放入球磨罐中以250r/min的轉速球磨24h，獲得混合粉。

(2)壓制

根據材料終態形狀和尺寸的需要，選取相關的模具，按產品質量要求稱取混合粉末放置于粉末壓制模具中，采用300mpa的壓力對混合粉進行壓制，保壓時間5min，即獲得所需電接觸材料壓片。

(3)燒結

將所得壓坯置于氫氣保護燒結爐中，700℃燒結30min，之后燒結坯隨爐冷卻至室溫。

(4)整形

將所得燒結坯放置于壓制模具中，采用900mpa的壓力對燒結坯進行整形，以消除內部缺陷，并獲得最終外觀尺寸精度要求。

所得材料性能指標：密度≥理論密度的97.0％，布式硬度為hb50～55，抗彎強度為122.05mpa，抗壓強度為143.12mpa，靜態接觸電0.82mω。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數<0.17，磨損率<1.0×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降76mv左右，10rpm所得電噪聲rms值<3.0mω；材料以10rpm速率運行30km距離后，磨屑量極小，可忽略不計。

對比例1

其他條件完全和實施例1一致，不同之處在于采用了20％的ws2粉末；而沒有采用mos2粉、余量為ag粉；其所得材料性能指標：密度≥理論密度的99.2％，布式硬度為hb63～65，抗彎強度為167mpa，抗壓強度為152mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.16～0.2，磨損率4.09×10^-14m³/n·m～7.04×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降45mv左右，10rpm所得電噪聲rms值1.0mω；材料以10rpm速率運行5km距離后，有部分磨屑量。

對比例2

其他條件完全和實施例1一致，不同之處在于采用了8％的mos2粉末；而沒有采用ws2粉末、余量為ag粉；其所得材料性能指標：密度≥理論密度的99.6％，布式硬度為hb74.1，抗彎強度為165mpa，抗壓強度為133mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.175，磨損率6.58×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降83mv左右，10rpm所得電噪聲rms值<3.0mω；材料以10rpm速率運行10km距離后，磨屑量較多。

對比例3

其他條件完全和實施例1一致，不同之處在于采用了28％的mos2粉末、2％的ws2粉末；其所得材料性能指標：密度≥理論密度的97.1％，布式硬度為hb37～43，抗彎強度為170mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.19，磨損率1.9×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降83mv左右，10rpm所得電噪聲rms值4.1mω；材料以10rpm速率運行15km距離后，有部分磨屑量。

對比例4

其他條件完全和實施例1一致，不同之處在于采用了16％的ws2粉末；而沒有采用mos2粉、余量為ag粉；其所得材料性能指標：密度≥理論密度的97.9％，布式硬度為57hb，抗彎強度為182mpa，抗壓強度為175mpa。材料在低速(5rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.19，磨損率6.35×10^-14m³/n·m；材料以5rpm速率運行10km距離后，有部較多磨屑量。

對比例5

其他條件完全和實施例1一致，不同之處在于采用了30％的ws2粉末；而沒有采用mos2粉、余量為銀粉；其所得材料性能指標：密度≥理論密度的97.2％，布式硬度為59hb，抗彎強度為157mpa，抗壓強度為182mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.17～0.23，磨損率2.73×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降89mv左右；材料以10rpm速率運行18km距離后，有部分磨屑量。

對比例6

其他條件完全和實施例1一致，不同之處在于采用了17％的ws2粉末；采用了3％的mos2粉、余量為銀粉；所得材料性能指標：密度≥理論密度的98.6％，布式硬度為61hb，抗彎強度為159mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.16～0.22，磨損率1.75×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降58mv左右，材料以5rpm速率運行20km距離后有部分磨屑產生。

對比例7

其他條件完全和實施例1一致，不同之處在于采用了5％的ws2粉末；采用了15％的mos2粉、余量為銀粉；所得材料性能指標：密度≥理論密度的97.8％，布式硬度為53hb，抗彎強度為146mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.17～0.21，磨損率2.82×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降65mv左右，材料以15rpm速率運行10km距離后有部分磨屑產生。

對比例8

其他條件完全和實施例1一致，不同之處在于采用了8％的ws2粉末；采用了10％的mos2粉、余量為銀粉；所得材料性能指標：密度≥理論密度的98.3％，布式硬度為56hb，抗彎強度為163mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.19，磨損率2.26×10^-14m³/n·m；材料以30rpm速率運行15km距離后有部分磨屑產生。

通過實施例1和對比例1、2、3、4、5、6、7、8可以看出：本發明是通過適量各組分的協同作用，才得到性能如此優越的成品。其中任意一組分的含量不在本發明所限定范圍內，其性能就顯著下降。

實施例2：

所述衛星導電滑環用新型銀基固體自潤滑電刷材料的組分(質量百分比)為：ag-15ws2-5mos2，其中ag粉含量80％；ws2粉末含量15％；mos2粉末含量5％。

電刷制備方法包括以下步驟：

(1)混料

ag粉、ws2粉及mos2粉，在120℃下干燥24h后，按照比例稱三種粉末，放入球磨罐中以250r/min的轉速球磨24h，獲得混合粉。

(2)壓制

根據材料終態形狀和尺寸的需要，選取相關的模具，按產品質量要求稱取混合粉末放置于粉末壓制模具中，采用300mpa的壓力對混合粉進行壓制，保壓時間5min，即獲得所需電接觸材料壓片。

(3)燒結

將所得壓坯置于氫氣保護燒結爐中，750℃燒結30min，之后燒結坯隨爐冷卻至室溫。

(4)整形

將所得燒結坯放置于壓制模具中，采用800mpa的壓力對燒結坯進行整形，以消除內部缺陷，并獲得最終外觀尺寸精度要求。

所得材料性能指標：密度≥理論密度的97.5％，布式硬度為hb60～hb65，抗彎強度為142.97mpa，抗壓強度為171.04mpa，靜態接觸電阻0.55mω。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數<0.19，磨損率<1.0×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降<40mv左右，10rpm所得電噪聲rms值<1.6mω；材料以10rpm速率運行30km距離后，基本無磨屑。

實施例3：

所述衛星導電滑環用新型銀基固體自潤滑電刷材料的組分(質量百分比)為：ag-10ws2-20mos2，其中ag粉含量70％；ws2粉末含量10％；mos2粉末含量20％。

電刷制備方法包括以下步驟：

(1)混料

ag粉、ws2粉及mos2粉，在120℃下干燥24h后，按照比例稱三種粉末，放入球磨罐中以250r/min的轉速球磨24h，獲得混合粉。

(2)壓制

根據材料終態形狀和尺寸的需要，選取相關的模具，按產品質量要求稱取混合粉末放置于粉末壓制模具中，采用300mpa的壓力對混合粉進行壓制，保壓時間5min，即獲得所需電接觸材料壓片。

(3)燒結

將所得壓坯置于氫氣保護燒結爐中，700℃燒結30min，之后燒結坯隨爐冷卻至室溫。

(4)整形

將所得燒結坯放置于壓制模具中，采用600mpa的壓力對燒結坯進行整形，以消除內部缺陷，并獲得最終外觀尺寸精度要求。

所得材料性能指標：密度≥理論密度的97.5％，布式硬度為hb50～hb55，抗彎強度為129.63mpa，抗壓強度為151.27mpa，靜態接觸電阻1.32mω。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數<0.16，磨損率<1.0×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降<72mv左右，10rpm所得電噪聲rms值<3.8mω；材料以10rpm速率運行30km距離后的磨屑量極小。

實施例4：

所述衛星導電滑環用新型銀基固體自潤滑電刷材料的組分(質量百分比)為：ag-10ws2-8mos2，其中ag粉含量82％；ws2粉末含量10％；mos2粉末含量8％。

電刷制備方法包括以下步驟：

(1)混料

ag粉、ws2粉及mos2粉，在120℃下干燥24h后，按照比例稱三種粉末，放入球磨罐中以250r/min的轉速球磨24h，獲得混合粉。

(2)壓制

根據材料終態形狀和尺寸的需要，選取相關的模具，按產品質量要求稱取混合粉末放置于粉末壓制模具中，采用300mpa的壓力對混合粉進行壓制，保壓時間5min，即獲得所需電接觸材料壓片。

(3)燒結

將所得壓坯置于氫氣保護燒結爐中，780℃燒結30min，之后燒結坯隨爐冷卻至室溫。

(4)整形

將所得燒結坯放置于壓制模具中，采用800mpa的壓力對燒結坯進行整形，以消除內部缺陷，并獲得最終外觀尺寸精度要求。

所得材料性能指標：密度≥理論密度的98.3％，布式硬度為hb65～hb75，抗彎強度為165.91mpa，抗壓強度為182.15mpa，靜態接觸電阻0.41mω。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數<0.20，磨損率<1.0×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降<40mv左右，10rpm所得電噪聲rms值<1.0mω；材料以10rpm速率運行30km距離后基本無磨屑。

對比例9

其他條件完全和實施例4一致，不同之處在于采用了18％的ws2粉末；而沒有采用mos2粉、余量為ag粉；所得材料性能指標：密度≥理論密度的99.6％，布式硬度為hb63，抗彎強度為164mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.18，磨損率1.98×10^-14m³/n·m；平均接觸電壓降52mv左右，10rpm所得電噪聲rms值1.5mω；材料以10rpm速率運行10km距離后有部分磨屑產生。

對比例10

其他組分完全和實施例4一致，不同之處在于采用了18％的mos2粉末；而沒有采用ws2粉末；所得材料性能指標：布式硬度為hb51，抗彎強度為169mpa。材料在低速(<10rpm)真空載流摩擦學性能為：平均摩擦系數0.18，磨損率2.3×10^-14m³/n·m；材料以5rpm速率運行5km距離后有部分磨屑產生。

通過實施例4和對比例9、10可以進一步看出：本發明是通過適量各組分的協同作用，才得到性能如此優越的成品。其中任意一組分的含量不在本發明所限定范圍內，其性能就顯著下降。