中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

以聚氨酯海绵为三维连续网络结构模板，采用浸渍法在聚氨酯海绵骨架表面均匀涂敷石墨浆料构筑具有三维连续网络结构的石墨骨架，然后在石墨骨架中填充铜合金粉，经排胶-热压烧结工艺制备了石墨相和金属铜呈三维双连续复合型结构的铜/石墨自润滑复合材料. 研究考察了三维双连续复合结构对材料承载能力和抗冲击破坏能力的影响，并探究了材料在重载作用下的摩擦磨损行为. 结果表明：通过三维双连续结构设计，能够有效改变石墨相的富集状态和分布形式，并借助连续金属铜基体的高承载作用，显著提升材料在重载作用下的减摩抗磨性能. 在180 N载荷下与轴承钢对摩时，块体663铜合金和均相铜/石墨复合材料均出现急剧磨损并与摩擦配副发生“卡咬”的现象，其中块体663铜合金与配副“卡咬”严重而停止试验，均相铜/石墨复合材料的磨痕深度达1.19 mm. 然而，具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料的摩擦系数可保持约在0.12左右，磨损率仅约为5.3×10^-6 mm³·N^-1m^-1，磨痕深度为0.16 mm，展现出优异的长时间耐磨损性能. 同时，该结构设计还能够大幅减少石墨相与金属铜间的弱界面数量，并有效利用连续石墨相对裂纹传播路径的“歧化”引导和金属铜对扩展裂纹的钝化作用，使复合材料在保持铜合金高承载的同时显著提升材料的抗冲击破坏能力. 具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料的抗弯强度可与块体663铜合金比拟，高达372±38 MPa，是均相铜/石墨复合材料抗弯强度的2.0倍左右. 此外，具有三维双连续结构的铜/石墨复合材料还具有更加出色的抗外载冲击破坏能力，其冲击韧性高达32.8±3.1 J∙cm^-2，比均相铜/石墨复合材料的冲击韧性提高了11.1倍，甚至比块体663铜合金的冲击韧性还高出2.2倍.