Production and characterization of self-lubricating metal matrix composites for sliding electrical contact in aerospace applications

The work aimed to investigate materials characterized by high electrical conductivity and wear resistance to be employed in sliding electrical contacts for the aerospace field. The research focused on conductive self-lubricating metal matrix composites. Copper was employed as the metallic conductive matrix to assure the required electrical conductivity, and different lubricating second phases were investigated. The main scope of the reinforcements was to ensure a lubricating effect to the composite, decreasing wear and extending the components lifetime. The investigated materials were of the families of the transition metals dichalcogenides and the carbon-based materials, namely molybdenum disulfide, tungsten disulfide, and different graphene nanoplatelets. The employed materials were analyzed and characterized through granulometry, thermogravimetry, X-ray diffractometry, and Raman scattering spectroscopy. Different production methods were investigated, optimizing the operative conditions during the metal powder metallurgy procedure, namely load and maintenance time span during the pressing step, sintering temperature, and the addition of secondary treatment, like double pressing and double sintering. After the sintering process, the obtained samples density, wettability, electrical resistivity, and hardness were analyzed. The tribological assessment was performed by micro-scratch test and wear test. The resulting tracks were analyzed by scanning electron microscopy and confocal laser microscopy to evaluate the wear mechanisms, the specific wear rate, and the wear coefficient of the different composites. The obtained results indicated a decrease in friction coefficient thanks to the presence of the solid lubricants and the enhancement of the wear condition, with the lower specific wear rate and wear coefficient. The most promising composites were found for tungsten disulfide, particularly at 10 wt%. The further analysis evaluated the synergetic effect of employing multiple reinforcements, namely tungsten disulfide and inorganic fullerene of tungsten disulfide. This composite strongly decreased the wear coefficient and the specific wear rate, lowering the severity of the wear conditions. The current project was sponsored by and performed in collaboration with Logic S.p.A.

Il lavoro ha come obiettivo lo studio e la produzione di materiali caratterizzati da elevata conducibilità elettrica e resistenza all'usura da impiegare in contatti elettrici striscianti in campo aerospaziale. La ricerca si è concentrata su materiali compositi conduttivi autolubrificanti a matrice metallica. Il rame è stato impiegato come matrice conduttiva per assicurare la conducibilità elettrica richiesta dall’applicazione e sono state analizzate diverse seconde fasi lubrificanti. Lo scopo principale di tali rinforzi è quello di assicurare un effetto lubrificante al composito, diminuendo l'usura, allungando così la vita dei componenti. I materiali studiati appartengono alle famiglie dei dicalcogenuri dei metalli di transizione e dei materiali a base di carbonio, in particolare disolfuro di molibdeno, disolfuro di tungsteno e diverse nanoplatelets di grafene. I materiali impiegati sono stati analizzati e caratterizzati mediante granulometria, termogravimetria, diffrattometria a raggi X e spettroscopia Raman scattering. Sono stati studiati diversi metodi di produzione, ottimizzando le condizioni operative durante la procedura della metallurgia delle polveri metalliche, in particolare l'intervallo di tempo di carico e il valore del carico durante la fase di pressatura, la temperatura di sinterizzazione e l'aggiunta di trattamenti secondari, come la doppia pressatura e la doppia sinterizzazione. Dopo il processo di sinterizzazione, sono state analizzate la densità, la bagnabilità, la resistività elettrica e la durezza dei campioni ottenuti. La valutazione tribologica è stata eseguita mediante micro-scratch test e test di usura. Le tracce risultanti sono state analizzate mediante microscopia elettronica a scansione e microscopia laser confocale per valutare i meccanismi di usura, il tasso di usura specifico e il coefficiente di usura dei diversi compositi. I risultati ottenuti hanno indicato una diminuzione del coefficiente di attrito grazie alla presenza dei lubrificanti solidi, e il miglioramento della condizione di usura, rilevato dalla diminuzione del tasso di usura specifico e del coefficiente di usura. I compositi più promettenti sono stati individuati impiegando il disolfuro di tungsteno, in particolare con una percentuale in peso del 10%. Ulteriore analisi hanno valutato l'effetto sinergico dell'impiego di diversi rinforzi all’interno dello stesso materiale composito, in particolare disolfuro di tungsteno e fullereni inorganici di disolfuro di tungsteno. Questo composito ha fortemente ridotto il coefficiente di usura e il tasso di usura specifico, abbassando la severità delle condizioni di usura. Il progetto di tesi di dottorato presentato in questo elaborato è stato sponsorizzato ed eseguito in collaborazione con Logic S.p.A.