【摘要】 本文通过火花等离子烧结技术制备不同铜含量铜-石墨复合材料，研究其在水环境中的摩擦磨损特性、导电性能及疏水效应，揭示铜相网络对材料性能的影响机制，为电力设备材料开发提供实验依据。

铜-石墨复合材料是电力机车电流接收器的核心材料，其在水环境中的摩擦磨损性能直接影响设备寿命与安全性。本文通过火花等离子烧结（SPS）技术制备不同铜含量（40-50wt%）的铜-石墨复合材料，系统分析其导电性、疏水性能及摩擦磨损特性，为材料优化提供科学依据。

 

材料制备与性能测试

 

研究以包铜石墨粉为原料，在900℃烧结温度下制备高密度复合材料，并通过阿基米德排水法、扫描电镜（SEM）、电阻率测试等手段，对比原始试样与化学蚀刻试样的性能差异。实验发现，铜含量提升至50wt%时，材料相对密度达94%，铜相网络连通性增强，孔隙率降低至5%以下（图1）。导电性能测试表明，铜含量与电阻率呈负相关（图2a），富铜试样电阻率低至10.7Ωm，满足电力传输需求。

图1 900℃烧结时不同质量分数 Cu试样的表面形貌[1]

图2 (a)化学腐蚀前和(b)化学腐蚀后样品的电阻率与不同质量分数 Cu的函数关系

 

水环境摩擦磨损行为分析

 

化学蚀刻处理显著提升材料疏水性能，接触角增加约30%。水润滑条件下，高铜含量试样（50wt%）因致密铜相网络减少摩擦界面氧化，磨损率较40wt%试样降低22%。SEM观测显示，低铜试样界面间隙扩大（图1f），导致摩擦过程中石墨相剥落加剧，表明铜相网络对耐磨性起关键作用。

 

结论与工程意义

 

铜-石墨复合材料的性能高度依赖铜相连续性。优化铜含量至50wt%可平衡导电性、疏水性与耐磨性，为电力机车滑块材料选型提供数据支持。未来研究可进一步探索表面改性技术，以提升极端环境下的稳定性。

 

参考文献 H. Wie, et al., ChemistrySelect 2021, 6, 1288.

 

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