环境化学
主办单位:中国科学院
国际刊号:0254-6108
国内刊号:11-1844/X
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电接触材料过渡族金属硒化物的研究进展

  【摘 要】 简单介绍了作为电接触材料的过渡族金属硒化物在国内外研究现状,针对石墨等传统电接触材料在真空干燥环境下摩擦系数急剧升高和磨损严重的问题,探讨了过渡族金属硒化物在摩擦磨损性能方面的优势。综合分析几种过渡族金属硒化物,考虑实际工程的应用,对过渡族金属硒化物及其复合材料的设计和研究十分必要。


  【关键词】 电接触材料 过渡族金属硒化物 摩擦性能1 前言对于电接触材料来说,润滑油/脂均为绝缘体,且不耐高温,只能考虑固体润滑。Ag/Cu-MoS2-石墨是典型的电接触材料,广泛用于航空航天和精密机电设备的电刷、滑环等,依靠Ag、Cu来改善材料的导电、导热能力,石墨、MoS2在摩擦过程中表面形成一层固体润滑膜,来提高材料的耐磨性。在使用过程中存在以下问题:(1)石墨的电阻率为4×10-3Ωcm,接近金属,而MoS2为8×102Ωcm,和绝缘体接近。但石墨只是在大气中和有水分存在的情况下才具有较低摩擦磨损,在真空和干燥的环境中,摩擦系数急剧升高,磨损严重。而MoS2在干燥环境中和真空中具有很低的摩擦系数,尽管其导电性能差,但仍用来弥补石墨的不足。(2)石墨,MoS2的强度低,导致电接触材料的强度、承载能力,抗熔焊能力差。随电机,仪器仪表朝小型化,大电压,大电流,高速度方向发展,要求电接触材料的允许线速度大,接触电阻低,能承载大电流,在大气和真空环境下均具有低摩擦磨损。


  2 过渡族金属硒化物国内外研究概况过渡族金属硒化物MSe2(M=Mo、W、Nb、Ta)具有MoS2类似的结构。在针对航空航天、机电、能源、交通等领域摩擦学和固体润滑材料的研究上,多见石墨、MoS2、软金属和聚合物材料方面的报道。所检索到的资料中,只有关于MSe2的制备技术,而没有其在摩擦学中的应用。其主要原因是石墨、MoS2的矿物在地球上分布很广,并以选矿精矿在生产,而MSe2无天然矿物,人工合成的高成本限制了其应用。然而对于MSe2来说,除具有和MoS2类似的摩擦学特性外,同时还有一些独特的性能,如NbSe2的电阻率为3.5×10-4Ω·cm,而MoS2的电阻率为8.5×102Ω·cm,差6个数量级;所以它可应用于电触点的润滑上(既要求导电性能好,又要求耐磨性好)。还有研究报道90%WSe2-10%InGa耐高温性能非常优异,在大气中使用温度可达800℃,而MoS2在大气中的使用温度仅为400℃;同时MSe2做成的样品,在真空下的脱气率也比MoS2低很多,可以预见其在真空下有独特的应用。因此,对于MSe2材料的研究,有助于发现和开发新型固体润滑材料。


  对于电接触材料来说,润滑油/脂均为绝缘体,而且不耐高温,因此只能考虑采用固体润滑。Ag/Cu-MoS2-石墨是典型的电接触材料,广泛用于航空航天和精密机电设备的电刷、滑块等。在使用过程中存在以下问题:石墨的电阻率为4×10-3Ωcm,接近金属具有良好的导电性,而MoS2的电阻率为8×102Ωcm,和绝缘体接近,导电性差。但石墨在空气稀薄和干燥的环境中,摩擦磨损严重。MoS2在干燥环境中和真空中具有很低的摩擦系数,尽管其导电性能差,但仍用来弥补石墨的不足。在通电流摩擦时,机械力和电流的综合作用使得表面温度迅速上升,吸附在材料表面的水分挥发,摩擦磨损增加,接触不平稳,易产生振动、噪音,出现火花,严重时可能出现故障,而Ag/Cu-MoS2-石墨电接触材料在性能上已难以满足这些要求了。


  制备金属基固体润滑复合材料,是把金属和固体润滑材料粉末混合,压型,烧结,加工,制成所要求的零部件。在烧结过程中要使固体润滑材料和基体金属充分反应,才能使复合材料保持足够的强度;而在较高的烧结温度下固体润滑材料分解,或者和金属反应,都会造成其损失;而要维持低摩擦磨损,只能加大固体润滑材料的含量。因此,对纳米固体润滑复合材料来说,烧结温度大幅降低,减少了固体润滑剂的损耗,较少的固体润滑剂便可维持同样的低磨擦磨损。1990年在美国召开国际第一届纳米科学技术会议以来,纳米材料就引起世界各国的兴趣和重视。十多年来人们先后合成了众多MS2和MSe2纳米颗粒,如1992 Tenne等在800-1000℃的还原性气氛中使H2S气体和MoO3和WO3发生气相反应发现笼状WS2富勒烯结构,接下来又发现MoS2和WS2纳米管状结构。随后很多纳米管如ZrS2,TaS2,TiS2,NbS2等也都陆续被制备出来。对于硒化物,Tenne等首先合成出了MoSe2和WSe2的富勒烯结构,此后,2000年D.H.Galvan等首先采用强电子照射方法合成出了NbSe2纳米管;2001年Nath等采用还原WSe3、MoSe3和热分解(NH4)2MoSe4、(NH4)2WSe4等方法合成出了MoSe2和WSe2纳米管;Jun Chen等采用两步法合成出了TiSe2纳米管。然而到目前为止,关于这类纳米材料的电学性能,力学性能,摩擦学性能的研究还很少,只是有一些把MoS2或WS2纳米颗粒添加到润滑油中,提高油的承载能力,降低摩擦磨损的报道。而利用这些纳米材料制备复合材料的报道还未见到。其原因可能是由于擅长制备纳米材料的材料,物理,化学家们,往往把注意力集中于材料的制备和其晶体结构的标定上;而擅长于研究材料性能的力学,机械,电气等方面的研究者往往不熟悉新材料的制备。


  3 结语综上,结合电接触材料对润滑剂的发展需求和纳米结构MSe2(M=Mo,W,Nb,Ta)的发展前景以及我们的前期工作基础,可以预见,开发具有自主知识产权的多组分金属基MSe2纳米级导电复合固体润滑材料,不但可以为润滑剂的开发和应用提供新材料,而且还会产生很大的经济效益和社会效益。


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