含炭黑潤滑脂的摩擦磨損性能與導電性研究

喬鵬，夏延秋，侯沖,周釗,張秋晨，吳浩

(華北電力大學能源動力與機械工程學院,北京市 102206)

含炭黑潤滑脂的摩擦磨損性能與導電性研究

喬鵬，夏延秋，侯沖,周釗,張秋晨，吳浩

(華北電力大學能源動力與機械工程學院,北京市 102206)

以鋰基潤滑脂為基礎脂，導電炭黑為填料，經分散、研磨等工藝制備了含導電炭黑的潤滑脂，并對其進行了電導率、滴點、錐入度以及摩擦學性能的測試。試驗結果表明，潤滑脂中添加導電炭黑的含量和種類對含炭黑潤滑脂的導電性、抗磨減摩性以及理化性能有很大影響。其中含5%的HD-2類炭黑的潤滑脂具有最佳的綜合性能，其電導率為374 μs/cm，平均摩擦系數為0.087。長時間暴露在實驗室環境中，導電膏導電性能沒有太大的改變，但老化現象依舊明顯，其表現在熱安定性及摩擦學性能方面的變化，導電膏A3滴點由227.7 ℃下降到207 ℃，B3滴點由301.6 ℃下降到260 ℃，摩擦系數也出現較大波動。

潤滑脂；導電炭黑；導電性；摩擦學性能

0 引 言

輸變電線路設備的安全穩定運行，是國民經濟穩定發展的保障。隨著電壓等級的升高和輸送電流的增大，電力金具與導線的連接處凸顯薄弱環節。導電場所存在著的氧氣、腐蝕性氣體、灰塵以及水分等不利因素，導致電氣連接表面形成一層氧化膜。這些氧化膜導電性差，且不易去除，長此以往，將逐漸增大接觸區域的無機膜接觸電阻，隨著電流流過無機膜接觸電阻產生熱量，這種氧化將越來越嚴重，形成惡性循環，最終導致接觸處大幅度的發熱而燒毀電氣連接頭[1-4]。

導電膏又稱電力復合脂，簡稱電力脂，具有良好的導電特性，涂覆于電接觸表面可以有效地減少接觸電阻，降低電接觸點的溫升，有效提高電連接的可靠性和穩定性[5-7]。調查顯示，與傳統的搭接面搪錫工藝比較，改用涂敷導電膏后，電氣連接的接觸電阻可以明顯降低，同時該處的電能損耗也大幅降低，若合理地使用導電膏，則每年由使用導電膏而節省的資金是相當可觀的。我國從20世紀80年代開始研制并生產導電膏，常見的導電膏基本性能相同，是以礦物油或合成油作基礎油，用皂稠化后加入具有導電、抗氧化、抗腐蝕等性能的添加劑，經研磨、分散、改性等工藝，制得的軟狀膏體[8-9]。常用的導電填料有銀、銅等金屬粉末及炭黑。Marco Luniak等[10]對以金屬銀為填料的導電膏進行了研究，他們的研究顯示，使用一定量的金屬銀作為填料的導電膏，可以大幅度增加金屬導體之間的接觸面積，能夠減小接觸表面溫度70%左右，并且，可使連接的可靠性增強2～4倍。Osamu Ikeda等[11]對活性炭和金屬銀作為填料對導電膏性能的影響進行了研究，他們認為，以活性炭和金屬銀為填料的導電膏除了可以大幅度減小接觸電阻外，還具有良好的抗腐蝕性能。然而銀、銅等金屬粉末易發生氧化，生成的氧化物電導率很差，影響導電膏的正常使用，且長期使用重金屬會對環境產生污染，不利于環保。基于以上考慮，若以炭黑為導電填料，一方面解決了導電填料氧化的問題，另一方面炭黑對環境無污染，是一種很好的環保型的填料。本文即使用炭黑為導電填料制備導電膏。

1 導電膏研究內容

1.1 主要實驗儀器及原料

設備與儀器:恒溫加熱器，電動攪拌機，三輥研磨機，電導率用DDSJ-308A型(上海雷磁)電導率儀測定，滴點和錐入度分別使用上海神開公司生產的SYP4110-I滴點試驗器以及SYP4100-I錐入度試驗器來測定。

用MFT-R4000高速往復摩擦磨損實驗儀器，測試制得的導電膏的摩擦學性能。

用美國FEI公司的Feature Max型掃描電子顯微鏡對試件磨斑進行分析。

原料：導電炭黑(HD-1和HD-2，以下簡稱1號，2號)，聚α烯烴(PAO4)，實驗室自制鋰基潤滑脂等。主要原料的部分參數見表1、表2。

表1 2種導電炭黑部分重要參數

1.2 實驗步驟

1.2.1 導電混料制備

試驗中，采用1號、2號這2種導電炭黑作為導電物質，選擇有機溶劑PAO4作為溶劑，PAO4能使適量的炭黑顆粒很好地分散于其中。由于混料中所使用的導電炭黑密度較小、量較大，極易聚團，若其在混料中所占比例過大，則導電炭黑在PAO4中達不到理想的分散效果；若所占比例過小，則制得的混料成液態，且導電性能不良，影響最終制得的導電膏的性能。經多次試驗、比較，導電炭黑在混料中的質量分數為10%時最佳。

表2 鋰基潤滑脂主要性能參數

將導電炭黑與PAO4按1∶9(質量分數)的比例在140 ℃恒溫條件下混合加熱5 h，并做攪拌，使其充分混合，得到膏狀混料。待其冷卻后取出，備用。

1.2.2 混料與鋰基潤滑脂復配

將處理好的混料、鋰基潤滑脂按不同比例混合，用三輥研磨機研磨3次，得到導電膏樣品。按照各成分比例的不同，配制以1號炭黑為導電物質的A類導電膏，及以2號炭黑為導電物質的B類導電膏，具體參數見表3。

表3 A、B兩類導電膏的組分

2 試驗結果討論及分析

2.1 炭黑對導電膏導電性的影響

導電炭黑在導電膏中的含量是影響導電膏導電性的主要因素，只有當填料顆粒的濃度達到某一臨界值時，分散于鋰基潤滑脂中的炭黑顆粒相互接觸，形成較為理想的導電網絡，電導率急劇上升[9]。可以通過分析導電膏的內部結構，建立導電膏導電機理的模型，使炭黑對導電膏導電性的影響更加直觀，導電膏按其導電結構分為3種：

(1)一部分導電顆粒完全連續的相互接觸形成電流通路，相當于電流流過一個電阻；

(2)一部分導電顆粒不完全相互連續接觸，其中不相互接觸的導電顆粒之間由于隧道效應而形成電流通路，相當于一個電阻與一個電容并聯后再與電阻串聯的情況；

(3)一部分導電粒子完全不連續，導電顆粒間的潤滑脂隔離較厚，是點的絕緣層，相當于電容器的效應[12]。導電膏的導電機理模型如圖1所示。

圖1 導電機理模型

電導率測試試驗溫度為25 ℃(采用傳感器溫度補償)。

如圖2所示，曲線A、B分別為1號、2號導電炭黑含量與導電膏電導率的關系，當炭黑含量小于3%時，2種樣品沒有導電性能，即電阻接近無窮大。炭黑含量增加，導電膏的導電性能也隨之增加。但由于2種炭黑在鋰基潤滑脂中的導電逾滲閾值不同，導致2種導電膏的導電性發生明顯增長的點不同，當A類導電膏中炭黑的含量從3%增加到5%時，導電膏的導電性沒有明顯的提高，當炭黑含量超過5%時，其導電性才發生較明顯的變化；相比而言，當B類導電膏中炭黑含量超過3%時，隨著炭黑含量的逐步增加，導電膏的導電性增加顯著。

圖2 炭黑含量與電導率的關系

同樣，試驗也說明炭黑顆粒的粒子徑、結構、表面粗糙度的差異也會影響導電膏的導電性。由于B類導電膏中所添加的2號導電炭黑，其粒子細、結構高、表面粗糙多孔，具有高度開放鏈枝結構，分散于鋰基潤滑脂中時更容易相互搭接形成導電網絡。因此由圖2可知，在炭黑含量大于3%時，相同條件下，B類導電膏的導電性能優于A類導電膏,以炭黑含量均為5%時為例：B類導電膏電導率為374 μs/cm，A類導電膏電導率為1.36 μs/cm。

2.2 炭黑對導電膏滴點及錐入度的影響

潤滑脂的滴點是表示潤滑脂熱安定性能的指標，可以預測潤滑脂的最高使用溫度界限，滴點越高，表明該潤滑脂的高溫性能越好，潤滑脂的滴點主要取決于稠化劑的類型[13]，同時，添加劑對潤滑脂的滴點也會產生影響。試驗參照標準GB/T 3498—83(91)《潤滑脂寬溫度范圍滴點測定法》，具體的試驗數據見表4。

表4 炭黑含量與導電膏滴點的關系

由表4得知，在一定范圍內，隨炭黑含量的增加，導電膏的滴點穩步增加，且高于鋰基潤滑脂的滴點200 ℃。國家電網公司推行的行業標準中規定，Ⅰ型導電膏滴點應大于等于200 ℃，本研究制得的A、B這2類導電膏滴點均滿足要求。同時，添加的導電炭黑的種類對導電膏的滴點也有相應的影響，試驗結果顯示，當導電炭黑含量相同時，B類導電膏的滴點高于A類導電膏，這是由于B類導電膏中所添加的導電炭黑的空間結構更為開放、穩定，從而使該類別導電膏整體的膠體結構更加穩定，熱穩定性能更好。

潤滑脂錐入度測定法是測定潤滑脂稠度的實驗方法，潤滑脂的稠度對潤滑脂的實際使用具有很大的意義，不同稠度的潤滑脂適用于不同的使用條件下。試驗參照標準GB/T 269—91，具體的試驗數據見表5。

表5 炭黑含量與導電膏錐入度的關系

按照國家電網公司的規定，導電膏錐入度(25 ℃、150 g、1/10 mm)為200～315。

由表5可知，制得的A、B這2類導電膏的錐入度均符合國家電網公司的企業標準。同時，2類導電膏的錐入度均是隨著炭黑含量的增加而逐漸增加。這是因為由炭黑構成的三圍骨架結構較穩定，與鋰基潤滑脂混合后，整體結構的穩定性隨著炭黑含量的增加而增加，其結果表現為導電膏整體的稠度的穩定性更好。

2.3 導電膏的摩擦磨損性能研究

在實際工況下，許多電氣元件連接的接觸面之間會產生摩擦，如高壓輸變電隔離開關、低壓開關、接觸器等，長時間運動后，接觸面磨損，當接觸面磨損較嚴重后，會引起電器斷路、甚至失火等一系列問題，影響系統正常工作。因此涂覆在接觸面間的導電膏的潤滑作用也尤為重要，其抗磨減摩性能與連接的可靠性和穩定性密切相關。

本研究考察了2類導電膏的摩擦學性能，試驗使用MFT-R4000高速往復摩擦磨損試驗儀來測定導電膏的抗磨減摩性能。試驗具體參數如下:磨痕長度為5 mm，載荷為100 N，頻率為5 Hz，試驗時間為20 min，試驗壓頭鋼球采用AISI 52100鋼(尺寸為φ4 mm，硬度為61～63HRC，表面粗糙度為0.08 μm)，試驗試塊采用AISI 52100鋼(尺寸為φ24 mm×7.5 mm，硬度為754 HV，表面粗糙度為0.08 μm)。此次試驗中A、B這2類導電膏各樣品的平均摩擦系數及磨斑寬度見表6。

表6 2類導電膏樣品平均摩擦系數及磨斑寬度

由表6得知，A類導電膏中樣品A3的平均摩擦系數最小，磨斑寬度為0.28 mm，摩擦學性能最優。同理，B類導電膏中樣品B3的摩擦學性能最為優異。針對這2種導電膏樣品與一種商業用導電膏進行摩擦學性能的比較分析，樣品A3、B3以及某商業用導電膏C的摩擦系數曲線如圖3所示。

由圖3可知曲線A3、B3、C分別為導電膏樣品A3、B3和某商業用導電膏的摩擦系數曲線，可以看出，相比商業用導電膏，自制的B3導電膏顯示出更加優異的摩擦學性能，A3導電膏次之。

為了更加清楚地比較出3種導電膏抗磨性能，使用SEM試驗機對磨斑進行觀察比較，如圖4所示。樣品A3磨斑表面局部有較明顯的深溝，表面粗糙；樣品B3磨斑表面較光滑，沒有明顯的溝紋。商用導電膏磨斑表面劃痕相對較淺。由此可知，樣品B3的抗磨性能最好，商用導電膏次之，樣品A3的抗磨性能最差。

圖3 3種導電膏的摩擦系數曲線

圖4 3種導電膏樣品磨斑SEM照片

這是由于添加的導電炭黑結構不同，因此A、B這2類導電膏摩擦學性能的穩定性不同，填料結構越完整，導電膏的摩擦學性能越穩定。1號導電炭黑結構不如2號導電炭黑完整，表面容易產生物理吸附物和化學吸附物，在摩擦的過程中這些吸附物分解，是B種導電膏摩擦性能優于A種導電膏的原因。

2.4 長期老化后導電膏性能變化

導電膏在加工、儲存和應用中，會接觸到空氣、陽光等外界環境，導電膏的性能易受這些因素的影響而發生老化。導電膏老化之后其使用性能會出現不同程度的下降，甚至影響正常使用，因此，研究導電膏長期老化后的性能變化就顯得十分重要。

光、熱和氧是影響導電膏老化的主要因素，本小節將以綜合使用性能較好的A3、B3這2種導電膏為例，研究其暴露在實驗室環境中15天內熱穩定性及摩擦學性能的變化。本次試驗數據采集以3天為1個周期，得到的導電膏滴點變化如圖5所示。

由圖5可知，隨著導電膏在實驗室環境中暴露時間的增長，滴點明顯下降，第9天時，導電膏A3的滴點由227.7 ℃迅速下降到210 ℃，之后逐漸趨于穩定，第15天時穩定到207 ℃。第12天時，導電膏B3的滴點由301.6 ℃下降到260 ℃，到第15天時，穩定到255 ℃，測試周期內導電膏B3滴點下降明顯較導電膏A3迅速。

圖5 15天內導電膏滴點變化示意圖

圖6所示為導電膏長期老化后與老化前的摩擦系數曲線圖，可以清楚的看出A3、B3這2種導電膏在放置15天后，相同試驗條件下，摩擦系數及其平穩度都出現了不同程度的波動，這可能是因為久置于暴露的環境中，導電膏中的基礎脂或導電填料與空氣中的氧氣等成分發生復雜的反應，引起導電膏成分的變化，從而降低了導電膏的熱穩定性和摩擦學性能。

3 結 論

含炭黑的鋰基潤滑脂的電導率隨導電炭黑含量的增加而增加，同時，電導率也受到填料的粒子徑、結構、表面粗糙度的影響。填料的種類對導電膏的摩擦學性能和理化性能也有一定影響，填料結構越穩定，導電膏的摩擦學性能和理化性能越穩定。本研究中以2號導電炭黑為填料的B類導電膏在所測試的幾個方面都展現出了較為突出的性能。導電膏各組分(導電炭黑、PAO4、鋰基潤滑脂)之間的比例關系直接影響到導電膏各方面的性能，較為適宜的配方：ω(導電炭黑)為5%，ω(PAO4)為45%，ω(鋰基潤滑脂)為50%時，其導電性、滴點、錐入度以及摩擦學等幾方面的綜合性能最佳。

[1]龔炳林.一種新型的電氣連接材料[J].電氣時代，2008(5)：114-116.

[2]李星偉，王國剛，強春媚.電力復合脂對金屬導體連接耐腐蝕性能的試驗研究[J].電力建設，2011，32(8)：99-102.

[3]何迪云.導電膏的應用[J].電工技術，2007(7)：58-59.

[4]陳云，強春媚，苗文華，等.輸電鐵塔的腐蝕與防護[J].電力建設，2010，31(8)：55-58.

[5]楊守生.銀系復合導電膏的研制[J].云南化工，2000，27(6):1-3.

[6]Toshihiro I，Tadatomo S，Kenichi K，et al. Microstructure fabrication with conductive paste[C]// Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems，Thailand，2007：1003-1006.

[7]陳波.淺談“電力復合脂在電力設備安裝中使用的優點”[J].時代經貿，2012(3)：58.

[8]姜慶勝.導電膏電氣應用探索[J].電工技術，2002(9)：39-40.

[9]龔炳林，黃龍林，劉銀河.電氣連接材料“導電膏”的使用[J].安全，2009(4):42-43.

[10]Marco LUNIAK, Mike ROELLIG, Klaus-Juergen. A technology enabling improved properties of polymer conductive pastes[C]//26th International Spring Seminar on Electronics Technology：104-107.

[11]Osamu Ikeda, Yoshio Watanabe, Fuminari Itoh. Corrosion measurement of a conductive paste and anisotropic conductive adhesive films[C]//IEEE Polytronic 2007 Conference，2007：77-80.

[12]劉美娜.碳、銅系導電油墨的導電機理及性能的研究[D].西安：西安理工大學，2002.

[13]朱廷彬.潤滑脂技術大全[M].北京：中國石化出版社，2004：215- 248.

(編輯：張媛媛)

TribologicalPropertiesandConductivityofLubricatingGreaseContainingCarbonBlack

QIAO Peng, XIA Yanqiu, HOU Chong, ZHOU Zhao, ZHANG Qiuchen, WU Hao

(School of Energy and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The carbon black was used as conductive additive in lithium base grease through dispersing, grinding and other processes. And the conductivity, drop point, penetration, tribological properties of this grease was tested. The results show that the content and type of carbon black has a great impact on the conductive, wear resistance and friction reduction, physical and chemical properties of grease. The grease containing 5% of HD-2 carbon black has the best performance, whose conductivity is 374 μs/cm, average friction coefficient is 0.087. When the grease was prolonged exposed in laboratory environment for a long time, the conductivity of conductive paste had not fluctuated seriously, but its aging was still evident, which reflected in the changes of thermal stability and tribological properties; the drop point of A3 decreased from 227.7 ℃ to 207 ℃, and the drop point of B3 decreased from 301.6 ℃ to 260 ℃; the average friction coefficient fluctuated violently as well.

grease; conductive carbon black; conductivity; tribological properties

中國科學院“百人計劃”支持項目。

TM 75； TH 117.1

： A

： 1000-7229(2014)06-0112-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.021

2013-12-29

：2014-03-20

喬鵬(1988)，男，工學碩士，主要從事電力復合脂的制備及性能方面研究工作，Email：idoqiaopeng@gmail.com；

夏延秋(1964)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事機械設備的潤滑原理和潤滑技術研究、設備的潤滑與檢測研究工作；

侯沖(1988)，男，工學碩士，主要從事高性能潤滑脂的制備及性能方面研究工作；

周釗(1988)，男，工學碩士，主要從事納米添加潤滑劑的研究工作；

張秋晨(1988)，男，工學碩士，主要從事凹凸棒土潤滑脂的性能研究工作；

吳浩(1987)，女，工學碩士，主要從事機械設備的微量潤滑方面的研究工作。