7.2. Особенности контактного взаимодействия и некоторые пути создания металлополимерных контактных материалов
Специфика структуры контактных материалов с полимерной матрицей, содержащей армирующий наполнитель, естественно отражается на характере их контактного взаимодействия, поведении электрических и фрикционных характеристик. Особенно это относится к материалам, в которых в качестве армирующего наполнителя используется металлическая фольга, в частности металлополимерным щеткам [221]. Щетки представляют собой многослойный пакет из металлической фольги, отдельные слои которого соединены адгезивом на основе полимерного связующего. Слои металлической фольги располагаются в щетке таким образом, чтобы при работе ее контакт с коллектором осуществлялся торцовой поверхностью пакета. Такое исполнение щетки обеспечивает ее высокую механическую надежность, прочность, хорошую электропроводность. Функцией адгезива, кроме монолитизации щетки, является формирование устойчивой пленки на поверхности контртела, предотвращающей схватывание металлов щетки и коллектора, что достигается введением в полимерное связующее (обычно термореактивная смола) антифрикционных, токопроводящих, дугогасящих и других функциональных добавок. Учитывая принципиально различный характер процессов трения и токопрохождения в СК типа металл—металл (см. гл. 3) и металл—композит (см. гл. 5, 6), естественно ожидать, что металлополимерные щетки с различным сочетанием металлической фольги и электропроводного полимерного адгезива будут обладать существенно отличными электрическими и фрикционными характеристиками. Результаты изучения влияния свойств металлической фольги и полимерного адгезива на характер контактного взаимодействия подтвердили это. Испытывались модельные металлополимерные материалы с адгезивом двух типов: «жестким» и «мягким». «Жесткий» адгезив содержал повышенное количество (25 мас. %) термореактивной фенолформальдегидной смолы. В «мягком» адгезиве количество связующего (поливинилфурфураль) снижено до 5 мас. %, вследствие чего материал имеет относительно небольшую прочность и микротвердость. Выбор поливинилфурфураля вызван тем, что при его полимеризации образуется меньшее число поперечных связей, чем в случае ФФС, и поэтому материал обладает меньшей жесткостью. Оба типа адгезива использовались в сочетании с фольгой из серебра Ср 999,9, сплава Ag—Pd-20, алюминия, меди M1, обладающих различными физико-механическими, химическими и другими свойствами.
В работе [111] показано, что введение в щетку с «жестким» адгезивом относительно небольшого количества серебряной фольги приводит к сдвигу значения критической плотности тока jкр в сторону больших токовых нагрузок. Уменьшается общая величина контактного падения напряжения (см. рис. 6.9), а следовательно, и температура в зоне трения. Кроме того, по-видимому, через участки фольги передается основная доля токовой нагрузки, что снижает электрическую и тепловую напряженность контактных пятен, формируемых адгезивом щетки. В результате возрастает предельное значение плотности тока, при котором начинается деструкция связующего. При увеличении количества вводимой серебряной фольги описанные процессы проявляются сильнее, вследствие чего переходное падение напряжения снижается, а изгиб на кривых
сдвигается еще больше вправо. Однако принципиальных изменений в поведении контактных характеристик и состоянии контактирующих поверхностей не происходит. Величина коэффициента трения при
остается в пределах 0,20—0,25, сохраняются нелинейность вольтамперных характеристик (см. рис. 6.9) и полярные различия, незначительно изменяются топография и электропроводящие свойства поверхности контртела. Микроскопические исследования показывают, что граница раздела фольги и адгезива в контактной поверхности щетки достаточно хорошо различима.
Следовательно, при невысоком наполнении фольгой (до 20— 25 мас. %) формирование переходного слоя на контртеле, процессы фрикционного взаимодействия и токопрохождения определяются в основном свойствами применяемого адгезива.
Введение в материал серебряной фольги до 50—60 мас. % и выше приводит к резкому изменению поведения фрикционных характеристик щетки и состояния контактных поверхностей. Величина переходного падения напряжения уменьшается до очень низких значений, ВАХ становится линейной (см. рис. 5.6, а, б), полярные различия практически исчезают.
Рис. 7.10. Зависимость интенсивности изнашивания Ih от плотности тока в контакте j для опытных металлополимерных щеток МП-6С (1) и МП-9С (2) при работе по Медному контактному кольцу (∅=40 мм, р=500 гПа, υ=1,5 м/с, Aа=0,1 см2). Сплошные линии — щетка анодно поляризована; пунктирные — катодно поляризована
Величина коэффициента трения остается на уровне 0,2—0,25, однако зависимость f=φ(j) принимает вид, аналогичный кривой 4, показанной на рис. 6.2. Интенсивность изнашивания щеток быстро возрастает при увеличении плотности тока, но резкого излома на кривой Ih=φ(j), свойственного щеткам с повышенным содержанием связующего, не наблюдается (рис. 7.10, кривая 1). На контактной поверхности щетки граница раздела фольги и адгезива теряет определенность, серебро как бы размазывается, в результате чего поверхность приобретает металлический блеск. Низкое и стабильное падение напряжения, характерное для металлических контактов, а также микроскопические исследования рабочей поверхности указывают на преобладание металлических пятен контакта. Процесс формирования рабочих поверхностей при этом можно представить следующим образом. Низкое напряжение сдвига на участках фольги в контактной зоне приводит к пластическому течению серебра на соседние относительно тонкие прослойки жесткого, хрупкого разрушающегося адгезива. В результате на поверхности щетки формируется мягкая пластичная пленка из серебра, а адгезив выполняет роль твердой подложки.
Прохождение тока через зону трения усиливает описанные процессы за счет пластифицирующего действия и дополнительного нагрева. В результате металлополимерные материалы с высоким наполнением серебряной фольгой обладают низким значением ∆U и относительно невысокой износостойкостью. При возрастании токовой нагрузки их интенсивность изнашивания быстро увеличивается (рис. 7.10, кривая 1). Поэтому материалы данного типа могут быть использованы прежде всего для слаботочных скользящих контактов, где основным требованием является стабильное и низкое падение напряжения.
Металлополимерные щетки на основе «мягкого» адгезива с высоким содержанием фольги неработоспособны, поскольку тонкие прослойки адгезива с малым количеством связующего не могут обеспечить прочное адгезионное соединение между слоями фольги. Однако при низком и среднем наполнении фольгой (35—40 мас. % и ниже) металлополимерные щетки с мягким адгезивом обладают рядом ценных качеств по сравнению с щетками на основе «жесткого» адгезива, прежде всего низким коэффициентом трения и интенсивностью изнашивания (рис. 7.10, кривая 2). Для них свойственна обычная падающая зависимость f от плотности тока (аналогично рис. 6,1). Существенной особенностью является то, что смазывающая пленка из материала адгезива имеет тенденцию формироваться как на поверхности коллектора, так и на поверхности щетки, в том числе на участках металлической фольги. В этом случае металлическая фольга, кроме повышения тепло- и электропроводности, прочности щетки, выполняет роль твердой подложки под смазочным слоем щеточного материала на контактной поверхности, обеспечивая выполнение правила положительного градиента. Благодаря такому распределению функций между компонентами электрические и фрикционные характеристики щеток определяются в основном свойствами адгезива.
Отмеченные особенности контактного взаимодействия металлополимерных материалов позволяют в первом приближении оценить области их наиболее перспективного использования. Применяя высокое наполнение фольгой из мягкого неокисляющегося металла (серебра) в сочетании с адгезивом, имеющим повышенное содержание термореактивного связующего, можно получить контактные материалы с низким и стабильным контактным сопротивлением. Несмотря на относительно невысокую износостойкость, такие материалы могут найти эффективное применение в ряде слаботочных скользящих контактов с ограниченным ресурсом работы, в которых основным требованием является высокая надежность электрического контакта. Для электрооборудования общепромышленного назначения, эксплуатирующегося в нормальных условиях, эффективны металлополимерные щетки с низким или средним наполнением фольгой и адгезивом, обладающим высокой смазочной способностью. При этом предпочтительно применять недефицитную металлическую фольгу с достаточно высокими механическими и электрическими характеристиками (например, медную). Стойкость к абразивному изнашиванию, высокая тепло- и электропроводность металлополимерных щеток предполагают их высокую работоспособность при повышенных токовых нагрузках.
Испытания опытных партий металлополимерных материалов показали их способность обеспечить надежную работу СК, прежде всего в экстремальных условиях эксплуатации, когда традиционные контактные самосмазывающиеся материалы оказываются неработоспособными. Ниже приведены некоторые примеры использования металлополимерных контактных материалов.
Обеспечение стабильности электрических характеристик СК при повышенной температуре и высокой влажности.
Одной из серьезных проблем электротехники в настоящее время является обеспечение надежной работы микродвигателей постоянного тока, например, в системах автоматики и следящих системах [158]. Такие микродвигатели должны обладать стабильными электрическими, фрикционными и пусковыми характеристиками при эксплуатации и хранении как в нормальных, так и в условиях повышенной температуры и высокой влажности, а в ряде случаев — и в вакууме. Соответственно щетки должны иметь по возможности низкое и стабильное переходное падение напряжения 2∆U, минимальный коэффициент трения f при всех условиях эксплуатации и хранения. Из известных щеточных материалов наибольшей стабильностью в условиях повышенной влажности и температуры обладают щетки серебрографитного класса (СГ-1, СГ-3, СГ-01 и др.). Однако они не работоспособны на большой высоте и в вакууме, относительно хрупки и малоизносостойки, для обеспечения низкого контактного сопротивления необходимо высокое содержание серебра (свыше 90 мас. %). Основным недостатком других марок щеток, применяющихся в микродвигателях (МГС-7, МГМ-1, ВТ-1, ВТ-3, МСГ-7И, СНГ), является изменение контактных характеристик при хранении во влажных условиях. При длительном пребывании в нерабочем состоянии в условиях повышенной влажности и температуры напряжение трогания микродвигателей резко возрастает, что увеличивает вероятность их отказа при запуске [61, 263].
Установлено [61], что главная причина возрастания напряжения трогания микродвигателей при хранении — атмосферная коррозия поверхности коллектора. Поэтому очевидно, что для таких условий должны применяться щетки, формирующие коллекторную пленку, свойства которой не зависят от состояния окружающей среды.
Таблица 7.1
Сравнительные характеристики новых металлополимерных и известных контактных щеток
Предварительные испытания [66, 67] показали, что перспективными в этом отношении могут оказаться некоторые модификации металлополимерных щеток с высоким наполнением серебряной фольги (50—60 мас?%) и адгезивом на основе термореактивного связующего. Такие щетки имеют низкое переходное падение напряжения, линейную вольтамперную характеристику (см. рис. 5.6, б), относительно невысокий коэффициент трения (0,2—0,25), формируют высокоэлектропроводную пленку без сплошного изоляционного слоя закиси меди (см. рис. 5,4, д, ж, 5.6, а). Максимальное повышение электропроводности коллекторной пленки и снижение величины 2∆U имеет место при сочетании серебряной фольги и адгезива, включающего 30—50 маc.% коллоидного серебра. Исходя из данных предпосылок, разработан состав металлополимерных щеток (МП-6) применительно к микродвигателям типа ДПМ и ДПР (табл. 7.1). В качестве наполнителей, кроме коллоидного серебра, использованы графит, политетрафторэтилен и дисульфид молибдена. После хранения во влажной атмосфере проводимость коллекторных пленок, формируемых щетками такого типа, остается достаточно высокой, потенциограммы свидетельствуют об отсутствии явно выраженных изоляционных слоев (аналогично рис. 5.6, а).
Испытания на воздействие повышенной температуры и высокой влажности показывают высокую стабильность пусковых характеристик микродвигателей, снабженных металлополимерными щетками (табл. 7.2). Для пусковых ВАХ щеток МП-6 как до хранения, так и после характерно пропорциональное изменение тока в зависимости от приложенного напряжения (рис. 7.11). В то же время ВАХ меднографитных щеток М.ГС-7, снятые после хранения, свидетельствуют о том, что запуск двигателя осуществляется только после фриттинга непроводящей пленки. Как будет показано ниже, электрические и, что особенно важно, износные характеристики металлополимерных щеток незначительно изменяются также при работе в вакууме (см. табл. 7.1). Все это подтверждает перспективность указанного типа металлополимерных материалов для использования в электрооборудовании, подвергающемся комплексному воздействию перечисленных климатических факторов.
