电接触领域导电润滑添加剂及其摩擦学行为的研究现状_李红.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21100218-1基金项目:国家自然科学基金(52074017);北京市自然科学基金(3202002);2021 年度北京工业大学国际科研合作种子基金项目(2021A14);2021年度中国-中东欧国家高校联合教育项目(2021113)This work was financially supported by National Natural Science Foundation of China(52074017)，Beijing Municipal Natural Science Foundation(3202002)，International esearch Cooperation Seed Fund of Beijing University of Technology(2021A14)and China-CEEC Joint Education Project for HigherEducation(2021113)zhxleebjuteducnDOI:10.11896/cldb.21100218电接触领域导电润滑添加剂及其摩擦学行为的研究现状李红1，陈梓嵩1，栗卓新1，祝静1，Erika Hodlov21北京工业大学材料与制造学部，北京 1001242斯洛伐克科学院材料与机械研究所，布拉迪斯拉发 84513导电润滑剂对减少电接触过程的摩擦磨损，提高效率，延长服役寿命，促进电力电子、航空航天、轨道交通领域的绿色化、智能化和高效化发展具有重要作用。但现阶段导电润滑剂存在耐热性、分散稳定性、抗氧化性和抗腐蚀性能不足等问题，难以满足电磁场、温度场、摩擦热应力场及多场耦合复杂工况的苛刻要求。国内外学者对各种新型导电润滑添加剂进行了研究，包括石墨烯、碳纳米管、导电聚合物以及离子液体等，发现上述材料作为油基添加剂可在电接触副界面发生摩擦物理吸附和化学反应，形成摩擦反应膜，起到减小接触电阻、提高界面载流效率、减少接触副磨损、提高表面抗腐蚀性等作用。本文通过综述金属基、碳基、离子液体基以及复合型导电润滑添加剂的摩擦学行为的研究现状，分析电接触副间接触摩擦反应膜的尺寸、形态、分布以及力学性能对配副摩擦学行为的影响，总结了添加剂尺寸、成分、浓度、分散性对导电润滑剂减摩抗磨性能的影响规律，归纳了添加剂的润滑机理，并展望了导电润滑添加剂在电接触领域的发展趋势。关键词电接触润滑摩擦学导电润滑添加剂反应润滑膜中图分类号:TH117文献标识码:Aesearch Status of Conductive Lubricated Additives for Applications in ElectricalContact and Tribology BehaviorLI Hong1，CHEN Zisong1，LI Zhuoxin1，ZHU Jing1，Erika Hodlov21Faculty of Materials and Manufacturing，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China2Slovak Academy of Sciences，Institute of Materials and Machine Mechanics，Bratislava 84513，Slovak epublicConductive lubricants play an important role in reducing friction and wear during electrical contact，improving efficiency，prolonging service life，and promoting green，intelligent and efficient development in power electronics，the aerospace industry and rail transit However，at thisstage，conductive lubricants demonstrate problems such as insufficient heat resistance，dispersion stability，oxidation resistance and corrosion re-sistance，and it is difficult to meet the harsh requirements of complex working conditions in electromagnetic，temperature，frictional thermal stressand multi-coupled fieldsNumerous scholars have studied various new conductive lubricated additives，including graphene，carbon nanotubes，conductive polymers，and ionic liquids It has been found that the aforementioned materials added to conductive lubricants as oil-based additives can produce frictionalphysical adsorption and a chemical reaction at the electrical contact sub-interface，forming a friction reaction film that plays a role in reducing con-tact resistance，improving interfacial current-carrying efficiency，reducing contact pair wear，and improving surface corrosion resistanceIn this paper，by reviewing the research status of tribological behavior in metal-based，carbon-based，ionic-liquid-based，and composite con-ductive lubricant additives，the influence of size，shape，distribution and mechanical properties of lubricant film on the tribological behavior of thepair is analyzed The influence of size，composition，concentration，and dispersity of conductive lubricant additives on the anti-friction and anti-wear performance of lubricants is summarized，as is the lubrication mechanism Finally，we look ahead to the development trends of conductiveadditives in the electrical contact fieldKey wordselectrical contact，lubrication，tribology，conductive lubricated additive，reaction lubricating film0引言电接触现象广泛存在于电力电子、航空航天、交通运输等众多领域，近年来，随着自动控制和信息技术的快速发展，电接触性能成为这些领域中影响系统可靠性和稳定性的一个关键因素1。导电润滑剂作为提升电接触性能的有效手段，被广泛应用于铁路受电弓、输变电线路接头、开关中的镀银搭接面、地铁接触轨、智能焊接设备配件中，其导电能力、耐磨性能、抗腐蚀性能和低接触电阻特性直接影响系统的正常运行及服役寿命2-4。在电力电子领域，导电润滑剂不仅能减少电气开关、电机轴承、集成电路、微电子机械系统、输变电设备5-10 中的机械磨损和电气磨损，还能有效提升润滑效率，减小接触电阻，延长设备的使用寿命。近年来混合动力汽车与电动汽车的市场规模逐步扩大11，汽车电气化趋势对润滑油的导电性及相关安全问题提出了大的挑战。因为电车的机电系统承受着更高的电流、负载以及温度12，而传统燃油车润滑油会受电场影响而降解失效，导电性难以满足需求13，所以研制具备良好电气性能与润滑性的专用导电润滑剂成为该领域的最新热点。21100218-2按照导电润滑添加剂的种类，可将导电润滑剂分为金属基、碳基、聚合物基、离子液体基以及复合型，其作用主要有14:(1)增加实际传导电流作用的接触斑点15 数目和摩擦副的实际接触面积，减小接触电阻，提升导电性;(2)所含纳米颗粒通过自修复13、摩擦化学反应成膜、形成微纳滚动轴承以及表面抛光等机制16 来降低摩擦磨损;(3)所含抗氧化和缓蚀剂起到抗腐蚀作用;(4)填充于接触面缝隙，有效将热能传导至环境中，达到冷却和抑弧作用。目前，国内外学者普遍认为环境腐蚀、摩擦、机械磨损、电弧侵蚀以及接触电阻是影响导电润滑剂电接触性能的主要因素。本文综述了金属基、碳基、离子液体基以及复合型导电润滑剂的最新研究进展，介绍了不同类型导电润滑添加剂在润滑油脂里的摩擦学行为及润滑机制。1金属基导电润滑添加剂纳米材料因其独特的表面效应、小尺度效应已被广泛应用于润滑领域，其作为添加剂可增强基础油脂的导电性以提高载流效率，削弱因电荷在电接触副表面过度聚集而产生的闪络现象，从而减少电气损伤17;主要以添加导电润滑性优异的纳米金属单质和金属硫化物的金属基导电润滑剂为代表，金属基纳米材料占润滑添加剂总数的比例约为 72%18。11金属单质颗粒具备高电导率、高延伸率、低剪切应力、低熔点等特殊物化性能的纳米金属颗粒在被用作润滑添加剂时，表现出优异的减摩、抗磨和自修复特性。据美国内务部工程手册记载，含锌颗粒的导电润滑剂可应用于铝自配副或铝-铜接触副，而电阻率更低的金属颗粒作为导电润滑添加剂时，可应用于铜自配副连接14。李星伟等19 以纳米锌粉为导电粒子，加入到含抗腐蚀、抗氧化剂的甲基无硅油中，经研磨、分散、改性等工艺制得导电润滑剂，盐雾腐蚀实验表明，将其涂覆在铝自配副以及铝-铜之间时，接触面无腐蚀现象发生，同时减小了金属导体间的接触电阻。El-Adly 等20 采用铝粉作为导电微粒，制备了导电润滑剂，与进口润滑剂对比了导电能力、滴点、锥入度、耐蚀性能、酸度值等参数，发现所制备的润滑剂综合性能优异，可替代商业产品用于电接触的润滑。Si 等21 以聚 烯烃(PAO)和离子液体(ILs)为基础油，分别向二者中加入粒径不同的 Cu、Ag 纳米粒子，合成了多种导电润滑剂。基于多组球-盘载流摩擦磨损试验结果，得到了电流与摩擦系数(Coefficient of friction，COF)及磨损率的关系(见图 1和图 2)，可以看出含 01%(质量分数)Cu 纳米颗粒(Nano-particles，NPs)的离子液体润滑油摩擦学性能最优异，从而得出结论:导电润滑剂的载流磨损性能不仅与导电添加剂的成分有关，而且受纳米粒子尺寸和基础油电导率的影响。粒子尺寸越小，基础油电导率越高，导电润滑剂的摩擦学性能越好。摩擦副材料形成滑动电接触时，在副间电弧热、机械摩擦热以及焦耳热的协同影响下，会发生显著温升，从而影响基体材料的力学性能，直接造成严重的黏着和氧化磨损。Luniak 等22-23 研究了银基导电润滑剂的性能，发现接触副间电阻