Production and characterization of self-lubricanting metal matrix composite materials for aerospace applications

Slip ring is an electrical sliding contact that is used to transfer power and electrical signal between a static and a rotating part. Among its huge variety of applications, it is used in helicopter rotors for blades de-icing. In this work, new slip ring materials are investigated to enhance longer service life of components. The project is focused on the production and characterization of self-lubricating metal matrix composites. Production of composites has been exploited adding different reinforcing agents, tungsten disulphide (WS2) and some carbon nanophases, into a copper matrix and a series of tablets have been realized with a powder metallurgy process. Characterization of composites have been performed by granulometry, thermogravimetric, X-Ray diffraction, Optical Contact Angle, and Scanning Electron Microscopy analyses; resistance and density measurements; micro-scratch and wear test. A first investigation has been realized with Cu-WS2 composites, where the addition of solid lubricant shows a great improvement of hardness and tribological properties, without preventing their electrical ability. Then, after a screening of properties of different carbon nanophases at different percentage of addition and different milling time, a series of multiple reinforced composites Cu-WS2-Graphene nanoplatelets has been realized. The purpose of this kind of reinforcement is to provide excellent tribological properties thanks to WS2 and to protect the solid lubricant from degradation with carbon thanks to a synergistic behaviour. Finally, inorganic fullerene-like nanostructures of WS2 (IF-WS2) have been synthetized and introduced into the best composites to study their special exfoliation lubricating property that can enhance longer service life especially in harsh conditions.

I collettori rotanti sono un esempio di contatti elettrici striscianti, usati per la trasmissione di energia e segnali elettrici tra componenti statici e dinamici, che, tra i numerosi campi di applicazione, sono impiegati nei rotori di elicotteri per rimuovere e prevenire la formazione di ghiaccio sulle pale. In questo lavoro, viene presentato uno studio di nuovi materiali per i collettori rotanti al fine di aumentare la vita di servizio dei componenti. In particolare, il progetto si concentra sulla produzione e caratterizzazione di materiali compositi a matrice metallica auto-lubrificanti. La produzione dei compositi è stata realizzata tramite metallurgia delle polveri, aggiungendo alla matrice metallica di rame fasi rinforzanti di disolfuro di tungsteno (WS2) e alcune fasi carboniose nanometriche. La caratterizzazione dei compositi ottenuti, in forma di pastiglie, è stata compiuta tramite granulometria, analisi termogravimetrica, spettroscopia ai raggi x, micro-scratch test e prove di usura. Una prima analisi ha coinvolto compositi di Cu-WS2 dove, grazie all’aggiunta del lubrificante solido, è stato registrato un significativo miglioramento di durezza e delle proprietà tribologiche, senza compromettere la conducibilità elettrica. Dopo aver analizzato le proprietà e il comportamento di diverse fasi carboniose, valutando l’effetto dell’aggiunta di diverse quantità della seconda fase e di diversi tempi di macinazione, sono stati realizzati diversi campioni composti da Cu-WS2-Nanoplatelets di grafene. L’impiego di un duplice rinforzo permette di sfruttare sinergicamente le proprietà dei diversi lubrificanti: le ottime proprietà tribologiche del WS2 evitandone la degradazione tramite l’aggiunta della fase carboniosa. Infine, sono state prodotte e aggiunte nei migliori compositi ottenuti delle strutture cave nanometriche di WS2, simili a fullereni inorganici (IF-WS2), analizzandone il contributo il contributo nella lubrificazione del materiale, tramite il meccanismo di esfogliazione che può contribuire ad allungare la vita di servizio, specialmente in condizioni severe.