仅需5分钟混合

性能全面超越传统工艺

文献来源：Youwang Tu, XiuChong Zhu, Xiao Kang, Lei Zhang*, Chenxu Liu. Mechanical and tribological performance of copper matrix self-lubricating composite prepared by resonant acoustic mixing powder. Tribology International, 194 (2024) 109543.（中南大学粉末冶金国家重点实验室团队研究成果）

在航空航天、高铁制动、精密轴承等领域，铜基自润滑复合材料因兼具良好的导电性、导热性和优异的减摩耐磨性能，一直是关键材料之一。然而，传统制备方法如球磨混合，不仅耗时长、易引入杂质，还难以实现润滑相的均匀分散，制约了材料性能的进一步提升。

中南大学粉末冶金国家重点实验室团队在《Tribology International》上发表了一项突破性研究：他们采用声共振混合技术，在短短5分钟内成功制备出高性能CuNi-WS₂自润滑复合材料，不仅大幅提升混合效率，还在机械与摩擦学性能上实现了显著优化。

 一、为什么选择  声共振混合？

传统球磨混合动辄需要数小时甚至几十小时，且容易造成粉末污染和润滑相团聚。

图1：原材料粉末SEM图，展示Cu、Ni粉末形貌与WS₂纳米片结构

研究团队引入的声共振混合技术，通过声场与振动的协同作用，在极短时间内实现粉末的高效、均匀混合，且无需研磨介质，避免杂质引入。

该研究以加速度为核心工艺参数，系统考察了30g、50g、70g、90g四种条件下，WS₂在Cu-Ni基体中的分散状态及其对材料性能的影响。

 二、70g加速度： 性能全面最优

实验结果表明，70g加速度下制备的复合材料综合性能最佳：

• 弯曲强度：231 MPa

• 摩擦系数：0.243

• 磨损率：9.26×10⁻⁵ mm³/N·m

• 布氏硬度：52 HB

图9：弯曲强度与硬度随加速度变化曲线

图10：不同加速度下复合材料断口形貌SEM图

相比之下，传统球磨制备的类似复合材料通常需要数小时混合时间，且性能难以达到同等均衡水平。

 三、性能提升的  “微观密码”

1. WS₂分散状态决定性能

在70g加速度下，WS₂以小团簇和微米级颗粒的形式均匀分散于基体中，既增强了与基体的界面结合，又为摩擦过程中形成连续、致密的润滑膜奠定了基础。

图7：不同加速度下复合材料中WS₂分布与粒径统计

2. 界面反应生成强化相

WS₂在烧结过程中部分与Cu发生界面反应，生成硬质W颗粒。

图6：XRD图谱显示W相衍射峰

这些颗粒不仅提高了材料的硬度，还通过与基体形成半共格界面，增强了材料整体强度。

图8：TEM图展示Cu/WS₂/W界面结构

3. 摩擦膜结构更优

在摩擦过程中，均匀分散的WS₂逐渐被挤出表面，形成覆盖均匀的润滑膜，避免了大块WS₂团聚体破碎导致的表面剥落与裂纹扩展。

图13：磨损表面SEM图对比

图14：磨损截面与磨屑形貌分析

 四、与传统方法的  对比优势

研究团队还将声共振制备的材料与文献中多种铜基自润滑复合材料进行对比：

表1：不同复合材料摩擦学性能对比表

结果显示，声共振技术不仅大幅缩短混合时间，还在磨损率方面表现出明显优势，展现出其在工程化应用中的巨大潜力。

 五、研究意义与  展望

该研究不仅为铜基自润滑复合材料的制备提供了一种高效、清洁、节能的新工艺，还通过系统研究加速度对材料微观结构与性能的影响机制，为后续工艺优化与材料设计提供了理论依据。

图18：摩擦行为机理示意图

声共振混合技术有望在航空航天、轨道交通、高端装备等领域推动自润滑材料的快速制备与性能升级，为我国关键材料自主可控与高性能化提供有力支撑。