（材料学专业论文）金属浸渗对碳碳复合材料组织、性能的影响.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着电力机车的高速化趋势，目前我国所使用的受电弓滑板主体一粉末冶金滑板 渐渐不敷使用。碳自润滑性能优异，碳纤维则具有高强度、高模量等特点，广泛用于制 作纤维增强复合材料，金属铜、铝具有优异的导电性能及力学强度。因此，本文制备了 碳碳、碳碳+ 渗铜、碳碳+ 渗铝三种复合材料，开发具有良好综合性能的受电弓滑板用 复合材料。 对这三种复合材料的密度、导电性能、弯曲性能及硬度各方面进行了评价，并对这 三种复合材料的摩擦磨损性能进行探讨。摩擦磨损试验中，研究了摩擦系数、磨损量与 载荷、磨损距离的关系。 基于上述研究，获得如下主要结果： l 、碳碳+ 渗铜和碳碳+ 渗铝复合材料的密度分别为4 , 5 8 9 e m 3 、2 2 8 9 e m 3 ，比很多滑 板材料的密度都小，这有利于滑板的轻型化发展趋势。碳碳+ 渗铜和碳，碳+ 渗铝复合材 料电阻率分别为0 2 4 肛q m 和o 1 8 4 1 a , t 2 m ，可以满足受电弓滑板使用要求。 2 、碳碳+ 渗铜和碳，碳+ 渗铝复合材料的弯曲强度较碳碳复合材料高，分别为8 8 m p a 和1 9 6 m p a ，高于受电弓滑板材料的使用要求，复合材料中的碳纤维起到了纤维增韧补 强作用。由于碳一铝润湿性强于碳一铜，因此碳碳+ 渗铝的增强作用较碳碳+ 渗铜的效果 好。 3 、碳，碳复合材料经金属浸渗之后，碳，碳+ 渗铜和碳碳+ 渗铝复合材料的摩擦系数 及磨损量较碳碳复合材料的有所升高，其中碳碳+ 渗铝比碳碳+ 渗铜的抗摩擦磨损性能 优异。 4 、复合材料在摩擦初始阶段磨损机理主要是磨粒磨损及粘着磨损，当摩擦膜产生 后磨损机理为疲劳、剥层磨损。复合材料的摩擦系数及磨损量与摩擦表面的摩擦膜有关， 当摩擦膜存在并起到润滑保护作用时，复合材料的摩擦系数及磨损量都减小；当摩擦膜 受损产生表面剥落后，为产生新的摩擦膜，复合材料又开始磨粒磨损及粘着磨损，从而 复合材料的摩擦系数和磨损量增大。 关键词：受电弓滑板；碳碳复合材料；金属浸渗；摩擦 金属浸渗对碳碳复合材料组织、性能的影响 e f f e c to f i n f i l t r a t i o nm e t a lo ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc cc o m p o s i t e m a t e r i a l s a b s t ra c t a t p r e s e n t ，w i t h t h e s p e e d - u p p i n g t r e n do fe l e c t r i c a l l o c o m o t i v e , t h ep o w d e r m e t a l l u r g i c a lp a n t o g r a p hs l i d i n gp l a t et h a ti st h em a j o ro f p a n t o g r a p hs l i d e r si no u rc o u n t r yi s n o ts u i tf o rt h ef a s t e rr a i l w a y i t sk n o w nt h a tc a r b o n sg o o dl u b r i c a n tp e r f o r m a n c ea n d o a r b o nf i b e r sp e r f e c ts t r e n g t ha n dm o d u l ep e r f o r m a n c ei sw i d e l yu s e di nf i b e rr e i n f o r c e d m a t e r i a l s a tt h es a m et i m e ，c o p p e ra n da l u m i n i n r ah a v eg o o dc o n d u c t i v i t ya n dh i g hs t r e n g t h i nt h i sp a p e r , w eh a v ep r e p a r e dt h r e ec o m p o s i t em a t e r i a l so fc c ，c c + c u , c c + a 1w h i c h h a v ep e r f e c ti n t e g r a t ec a p a b i l i t yt ob eu s e da sp a n t o g r a p hs l i d e r s t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri st h a tt h ee v a l u a t i o no ft h em a t e r i a l sp e r f o r m a n c e ss u c ha s d e n s i t y ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ，f l e x u r u ls t r e n g t ha n ds u _ r f a e , eh m d n e s so fc cc o m p o s i t e ， c c + c u , c c + a i s a m p l i n gt h a ta r ec a r r i e do u tw e a re x p e r i m e n th a ss t u d i e d t h er e l a t i o n sa s w e l la sw e a rl o s s ，l o a da n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，w e a rd i s t a n c e b a s e do nt h er e s e a r c h e sa b o v e ，t h ec o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1t h ed e n s i t yo fc c + c ua n dc c + a ic o m p o s i t e si s4 5 9 9 e m 3 , 2 2 8g e 一，r e s p e c t i v e l y t h e s ev a l u e sa r el o w e rt h a nm a n yo t h e rp a n t o g r a p hs l i d e r sm a t e r i a l s i ti sp r o p i t i o u st ot h e d e v e l o p m e n to fc o n t r a c ts t r i p sm a t e r i a l s t h ee l e c t r i cc o n d u c t i v i t yo fc o m p o s i t e si s0 2 4 l d m , 0 1 8 4 1 卫q mr e s p e c t i v e l y ，w h i c hi sm u c hl o w e r t h a nt h ec cc o m p o s i t et h a ti s3 6 6 心n t h i s r e s d tm e a l st h a tt h ec c + c 1 1 c c 十a lc o m p o s i t e sa c h i e v et h er e q u i r e m e n to fp a n t o g r a p h s l i d e r s 2t h ef l e x u r a ls t r e n g t ho fc c + c u , c c + a lc o m p o s i t e si s8 8 m p a , 1 9 6 m p a t h e s e n u m b e r sm e a nt h a tt h ec o m p o s i t e sh a v ee x c e e d e dt h es t a n d a r di no u rc o u n t r y i nt h ep r o c e s s o ft h r e ep o i n tb e n d i n ge x p e r i m e n t , t h ef i b r o u sr e i n f o r c e m e n tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei n c o m p o s i t e s b e c a u s et h ei n t e r f a c ej o i n e di n t e n s i t yo fc c + a ii sb e t t e rt h a nc c + c u s ，t h e f l e x u r a ls t r e n g t ho f c c + a ii st h eb e s to n ei n t h r e ec o m p o s i t e s 3w i 也i n f i l t r a t i n gc o p p e ra n da l u m i n i u m t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a r i n gc a p a c i t y o fc c - 屺u , c c + a 1a r cb e t t e rt h a nc cc o m p o s i t e f u r t h e rm o r e t h ew e a rp r o p e r t yo f c ，c + a li se v e rt h eb e s t 4i nt h eb e g i n n i n go fw e a re x p e r i m e n t , t h em a j o ra b r a s i o nm e c h a n i s mi sg r a i na b r a s i o n a n da d h e s i v ew e a r a f t e rt h ea p p e a r a n c eo fl u b r i c a t i n gl a y e r ，t h ea b r a s i o nm e c h a n i s mi s c h a n g i n gt of a t i g u ew l b a r n ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rl o s sa r er e l a t e dt ot h el u b r i c a t i n g l a y e r i nt h ew e a re x p e r i m e n t ，g r a p h i t ec o n t e n ti sb e n e f i tf o ri m p r o v i n gt h el u b r i c a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 c o n d i t i o no f w e a rs u r f a c e s ow h e nt h el u b r i c a t i n gl a y e ra p p e a r e d ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n d w h a r fl o s sa r eb e c o m i n gl o w e ra n dl o w e r w h e nt h ew e a rl a y e rf l a k i n go f f , t h es a m p l es t a r t s t h eg r a i na b r a s i o na n da d h e s i v ew e a ra g a i n ，i ta i m st of o r mt h en e wl a y e r s ot h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n ta n dw e a l l o s sa r eh i g h e ra tt h e $ a r f l et i m e k e yw o r d s ：p a n t o g r a p hs l i d e r ：c cc o m p o s i t e ；m e t a li n f i l t r a t i o n ：f r i c t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：奁丝日期：1 2 二! 二2 1 口 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲素和复 导师签名： 鍪馥 盟年月立日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 纵观世界经济发展历史，铁路运输在各国国民经济中都发挥着举足轻重的作用。铁 路的电气化和高速化是发达国家交通发展程度的一个重要标志，大力发展电气化和高速 化铁路是提高运输能力和运输速度、增强铁路参与市场竞争能力的最有效方法之一。到 目前为止，铁路运输经历了蒸汽机车、内燃机车和电力机车的发展过程。目前电力机车 在一些发达国家已得到基本普及并向更高阶段发展。在幅员辽阔、地区差异较大的中国， 铁路作为一种非常重要的交通运输工具，在国民经济体系中更是发挥着不可替代的纽带 和“大动脉”作用。 近几年，世界各国相继建成最高时速在3 0 0 k m 以上的高速铁路，铁路已成为陆上运 行距离最长、速度最高的交通方式，这大大缩短了人们的旅行时间。在许多国家，越来 越多的旅客把乘坐舒适、便捷的高速列车作为出行首选。可以说，提高列车运行速度使 人们的生活质量不断提升，使世界铁路焕发了勃勃生机，同时也使铁路发展进入了一个 崭新阶段。我国的电气化铁路建设虽然起步较晚但发展极为迅速，改革开放以来每年以 约1 0 0 0 k m 的速度增长，电力机车数量也随之增加。但是，作为电力机车从接触网线导 入电能的关键部件受电弓滑板在较长时间内却未得到圆满解决。 1 1 课题研究背景 1 1 1 铁路电气化和高速化发展趋势 改革开放的不断深入以及经济的发展刺激了交通运输市场的竞争，因此提高铁路运 营速度已经成为一个刻不容缓的主要课题【u 。我国铁路自1 9 9 7 年以来，已先后进行了六 次大面积提速。同时在我国国民经济和社会发展“九五”计划以及2 0 1 0 年远景目标纲 要等决策性文件中都明确提出了提高列车运行速度的要求，将在京哈、京广、京沪、陇 海等主要干线上实现旅客列车最高速度为1 4 0 1 6 0 k m h ，货运速度也相应提高。我国铁 路已于2 0 0 7 年4 月启动了我国的第六次大面积提速，第六次大面积提速使部分干线列 车速度提高到2 0 0k m h j 。 诸如日本、法国、德国等铁路发达国家的铁路发展历史告诉我们铁路的提速仅仅依 靠内燃机或者蒸汽机是不可能完成的，电力机车是实现铁路高速化的重要手段。我国铁 路的提速计划同样是以修建电气化铁路，同时对既有线路的改造来实现的例。 从1 9 6 9 年我国第一条电气化铁路宝成线宝( 鸡) 风( 州) 段开通至今，经过 近四十年的发展我国电气化铁路有了长足进步，大秦、京秦、郑武、西陇海、宝中、兰 武等主要干线已实现电气化牵引，京郑、南昆、广深等线正在或已完成电气化建设，哈 金属浸渗对确碳复合材料组织、性能的影响 大、武衡等干线即将进行电气化改造。目前国内的电气化里程已经突破了1 0 0 0 0 k i n | 4 1 ， 成为继俄、德、法、日、意、波兰、南非，印度之后第九个拥有1 万公里以上电气化铁 路的国家，但与发达国家相比，我国的电气化铁路依旧处于落后状态。德国，意大利、 日本等许多发达国家在6 0 年代末7 0 年代初就基本上完成了客货运输繁忙干线的电气化 改造，实现了以l 3 左右的电气化线路承担2 3 以上的客货运量。9 0 年代，它们的铁路 己进入主要靠直接用电完成运输过程的阶段，即电气化率超过4 0 ，完成运输量在8 0 以上，与此同时，在电气化铁路高速化方面也取得了很好的成绩。德国的i c e 、日本的 新干线、法国的t g v 、西班牙的a v e 等都是运行速度在2 5 0 k m h 以上的高速铁路，1 9 8 8 年5 月1 日联邦德国还创造了时速4 0 6 9 1 a n 的世界纪录。目前，世界上营运速度在 2 5 0 k m h 以上的电气化高速铁路总里程有4 3 0 0 k m ，时速在2 0 0 k m h 以上的总里程已达 1 5 万公里。 据国家统计局提供的数字，截至2 0 0 6 年底，全国铁路营业里程达到7 7 万公里，位 居世界第三。其中国家铁路6 3 4 万公里，合资铁路o 8 9 万公里，地方铁路0 4 7 万公里， 全国铁路总里程达到1 5 4 6 万公里。至2 0 0 2 年底，电气化里程为1 8 万公里，到2 0 0 5 年总里程达2 万公里以上，到2 0 1 0 年总里程将达2 6 万公里1 5 】。在我国中长期铁路网 规划中，明确提出了我国中长期铁路建设目标：到2 0 2 0 年，铁路运输能力将大幅提 升，全国铁路营业里程达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化 率达到5 0 1 6 】；届时京沪、京哈、京广和陇海等四条主要干线将全线实现电气化，六大 区的电气化铁道将实现联网，我国第一条高速电气化铁路京沪线也将全面动工兴建，十 五期闻建设的电气化铁道约5 0 0 0 k m 。 铁路正向着电气化和高速化方向发展。电力机车的牵引动力来源于与之相连的供电 系统。能否稳定且充足地获得电力是其中的重中之重。因此，电气化铁路的弓网系统是 电气化铁路的重要关键环节之一。在弓网系统中起到接受、传导电力的部件正是受电弓 滑板。在铁路高速发展的时代，现有受电弓滑板材料在使用性能和经济性能上都已不能 满足高速电力机车的使用要求。因此，开发高性能、低价格的滑板材料具有重大的现实 意义【刀。 1 1 2 受电弓滑板市场应用前景 受电弓滑板是电力机车上消耗量大、更换频繁的部件，它的性能状况直接影响着电 力机车的运行情况，也直接影响着铁路的运营成本；同时，机车运行速度的不断提高对 滑板的各项性能提出了更高要求【8 , 9 1 。现在受电弓滑板正处于使用材料以及制造技术发展 大连理工大学硕士学位论文 时期，而且随着电力机车数量的增加受电弓滑板的使用量也随之提高。因此，进行滑板 的开发研究有着广阔的发展前景以及市场潜力【l o l 。 第一：我国对于铁路领域的建设十分注重。国家“十五”期间加大对铁路基础的建 设力度，投资3 5 0 0 亿元用于铁路建设，2 0 0 6 年全年投资完成1 5 5 2 7 5 亿元，未来还将 不断提高铁路方面的基础建设。电力机车因其能耗少、无污染而得到重视，是铁路机车 的发展方向，“十五”期间我国新建或改建电气化铁路5 0 0 0 余公里。铁路基础建设带 动相关零部件产业的迅速发展，进行受电弓滑板的开发符合市场需求。 第二：适应国民经济迅猛发展的需要。我国铁路列车最近开始实行第六次大提速。 为适应列车提速要求，机车的各部位必须进行相关的技术改造，原有受电弓滑板已经不 能满足铁道运行技术要求以及我国的基本路况，现急需开发一种新型替代产品来满足技 术改造要求。我国现有各类电力机车4 0 0 0 多台，受电弓滑板技术改造具有广阔的市场 前景和巨大的经济效益。 第三：作为易耗常备件进行日常维护与更换将带来长期稳定的市场需求。产品一般 寿命为5 0 0 0 k m ，电力机车一般每年约需要更换2 肚5 0 次滑板备件。 第四：地铁、城市轻轨等新型交通工具的飞速发展为滑板带来新市场。现在使用的 产品都依赖于进口，在国内相关产品的开发以及生产正处于一较为空白的区域，正迫切 需要开发出符合实际使用状况的滑板来满足其特殊要求，通过对滑板用材料的研制开 发，可以扩展到与此相关的新材料产品应用领域，如电机电刷、滑动触头等行业，从而 开辟出滑动电接触材料的独特领域。 1 2 电力机车受电弓滑板材料 1 2 1 受电弓滑板用材料概述 ( 1 ) 电力机车受电弓滑板 受电弓滑板是电力机车获得动力来源的重要集电元件，它一般安装在受电弓的最上 部，直接与接触网导线相接触( 如图1 1 所示) 。它的作用是使机车在滑动或静止状态下 从所接触的导线上获取电能为电力机车提供动力，以此来维持电力机车的正常运行。受 电弓滑板在自然环境中工作，受电弓滑板和接触网导线构成的是一对机械与电气耦合的 特殊摩擦副【】，在运行中与接触网导线不断产生冲击。滑板以与电力机车相同的运行速 度与导线发生摩擦，并传导大约1 0 0 - - 1 0 0 0 a 的电流【1 2 】。所以，对选用材料的综合性能 有严格要求。 金属浸渗对碳碳复合材料组织、性能的影响 图1 1 受电弓滑板与接触导线示意图1 2 1 f i g , l 1 p o s i t i o no f p a n t o g r a p hs l i d e r sa n dc o n d u c t i n gw i r e s ( 2 ) 滑板工作特点 首先，滑板和接触导线之问存在着周期性随机变化的变动载荷。受电弓滑板和接触 导线分别属于两个独立的弹性系统受电弓系统与接触网系统，受电弓由滑板、托架、 升弓弹簧等组成，受电弓抬升力靠升弓弹簧加载；接触网为弹性悬挂系统。两个系统相 互接触提供了滑板和接触导线之间的接触压力，接触压力一般控制在7 0 n 左右。 在运行中由于弓网的振动，使得滑板接触导线闻的接触压力呈随机变化特征。 又由于接触网按跨距布置，这一随机的变化载荷又具有一定的周期性。 其次，滑板和接触导线之间存在着相对较高的滑动速度。目前准高速铁路的速度为 1 6 0 k m h 左右，对应的弓网相对滑动速度为4 4 4 m s 。另外，由于接触网按跨距布置及接 触导线上存在硬点，机车运行过程中会产生弓网振动和接触压力波动，甚至产生对滑板 的阶跃式冲击和瞬间离线现象。 再次，滑板承受大电流和电弧冲击。目前电力机车电流在4 0 0 a 左右，高速机车将 提高到8 5 0 a 。在强电流作用下，当弓网间发生瞬间离线时，会产生拉弧现象，造成受 电弓滑板与接触导线表面烧伤而使接触状况恶化l l “。 ( 3 ) 电力机车受电弓滑板性能要求 受电弓滑板一般长期暴露在自然环境中，常在干燥、潮湿甚至在沙尘、雨雪等恶劣 天气下工作，并且在高速运行过程中与接触网导线不断产生电冲击与机械冲击，是电力 机车中更换最频繁，消耗量最大的部件。不良的受电弓滑板将直接影响到更换频率及成 本高昂的接触网导线使用寿命，这对铁路运营的成本影响较大。鉴于此，对于受电弓滑 板的性能提出了近乎苛刻的要求，尤其是对于材料本身的性能要求。总的来说，对于滑 板的要求一般有以下几点【1 2 j ： 大连理工大学硕士学位论文 1作为滑动部件，要求机械强度高，能经受一定振动和冲击载荷而不损坏； 2 作为摩擦磨损材料，要求具有优良的润滑性能并耐磨损，即摩擦系数低，同时， 对接触导线及滑板自身的磨耗小； 3 作为导电材料，要求具有良好的导电性能，即较小的电阻率，同时耐弧性强； 4 要有适中的硬度值，应低于冷拉导线硬度； 5 轻量化： 此外，还需要有安全性能好，环境负荷小等特点。 总之，滑板材料的使用性能主要包括以下三方面：综合机械性能、摩擦磨损性能、 电学性能。就目前情况来说，滑板材料距全面达到三方面性能还需要进行积极探索研究。 目前，提高滑板材料的某一方面性能，往往是以牺牲其他性能为代价的。因此，对于受 电弓滑板材料还有很大的研究空间和发展潜力，国内外对于受电弓滑板材料的研究也是 方兴未艾0 3 , 1 4 。 ( 4 ) 受电弓滑板种类 现在国内所用的滑板一般可分为纯金属滑板( 铜和软钢) 、粉末冶金滑板( 分为铁基 粉末冶金滑板和铜基粉末冶金滑板) 、碳素滑板( 碳滑板、浸金属碳滑板、铝包碳滑板等) 以及两种材质混合装配形式的复合型滑板等【l 卅，下面作一简单介绍： 纯金属滑板 纯金属滑板分为铜、钢两种，这是我国2 0 世纪6 0 年代早期的电力机车受电弓滑板 产品。 纯金属滑板取材方便，制作简单，成本低，机械强度高，耐冲击，集电容量大，耐 磨性和导电性都较好，寿命较长，引发弓网故障概率小，检修方便。但是，金属滑板和 接触导线材质相近与接触网导线亲和力强，加上无自润滑性能，因此对接触网导线磨耗 很严重，导致接触网导线的迅速磨损和频繁更换。该类型滑板现在已不能适应电气化铁 路发展的需要。 碳素滑板 纯碳滑板是一种比较理想的取流元件，用它作受电弓滑板既可以降低导线磨耗也延 长了导线使用寿命。碳滑板本身就是很好的润滑剂，自润滑性能和减磨性能好，对接触 网导线磨损小，滑动时电磁噪声小，且耐高温，不易和接触网导线发生焊合现象。碳滑 板与铜接触导线摩擦时可以在导线上形成一层碳膜，这大大改善了导线的磨耗状况，具 有积极意义。但其机械强度很低，耐冲击性较差，易出现断裂、掉块的现象，引发弓网 故障概率较大【1 6 1 ，同时，还存在滑板的不均匀磨耗现象，如果整修不及时，会使受电弓 离线率增大，加剧滑板和导线的电气磨耗。此类滑板使用寿命较短。因损伤更换极多， 金属浸渗对碳碳复合材料组织、性能的影响 而且使用过程中整修工作繁重，为机务段和电务段工作人员带来了极大不便，因而使用 范围受到了限制。 除此之外，最近出现了碳纤维加强的碳基浸金属滑板，使用镀铜碳粉改善性能的碳 基浸金属滑板和金属纤维加强的浸金属碳滑板，这些想法均是发挥碳润滑减磨优势，利 用一定的方法改善浸金属碳滑板的机械强度。 粉末冶金滑板 根据材质，粉末冶金滑板可分为铁基和铜基两种粉末冶金滑板。粉末冶金滑板的优 势在于有较好的集电性能和较高的强度，承受冲击的能力大大提高，和钢铝导线、铜导线 匹配性都较好，是现在运用最多的滑板【l m 川。但对接触网线而言，粉末冶金滑板还不是 理想的材料，其最大缺欠就是抗电弧能力差，在离线或触线的瞬间，易出现电弧，经常将 滑板烧熔或把网线烧熔，造成断线，粘连，或在网线上形成凹凸不平，毛刺等；另外粉末冶 金滑板对网线造成的磨损也不容忽视，特别是铁基滑板在铜网线上使用，网线磨损严重。 因此，针对碳滑板优缺点研究开发了铝包碳滑板f 2 l 】，其目的在于增强滑板强度；同 时，针对粉末冶金滑板的现状，北京粉末厂、铁道部科学研究院金化所相继研制出了机 械复合式铜基粉末冶金滑板，但由于问世时间较短，应用范围并不广泛【1 7 z 7 - 2 4 。 复合型滑板 复合型滑板主要有铝包碳滑板【2 5 捌和粉末冶金加固体润滑条滑板1 6 2 7 矧两种。铝包 碳滑板即以铝作为导电体，碳作为润滑剂，作成一个整体，中间没有接缝。其优点是没 有接缝，有一定机械强度，抗冲击，润滑性能较好，可减少弓网故障，构造比较合理； 缺点是耐磨性不足，寿命较短，运用过程中仍需大量整理修复工作；由于碳占据了部分 接触面使受流面积较小，受流强度较大，电气腐蚀较为严重。粉末冶金加固体润滑条滑 板是在粉末冶金滑板基础之上使用固体润滑条增加润滑性减少对导线及自身的磨耗，有 一定的效果，但仍不够理想，同时由于该种滑板的安装较为麻烦，维护任务较重，因此 应用不多。 1 2 2 滑扳材料国内研究进展状况 我国电力机车用受电弓滑板【2 9 l 主要有：钢滑板、碳滑板、铁基粉末冶金滑板、铜基 粉末冶金滑板、浸金属碳滑板。 6 0 年代初，电力机车最先在宝凤段开始运行，当时国产机车均用铜滑板，进口机车 用钢滑板。8 0 年代中期此种滑板只在安阳线、襄渝线、成渝线等少数线路使用，现在基 本不使用。 大连理工大学硕士学位论文 6 0 年代中期为了节约铜及解决金属滑板与接触导线的磨耗问题，参照国外研究情况 以及实际使用状况，我国自行研制开发了碳滑板，并于1 9 6 7 年投入实际生产使用。但 是碳滑板自身磨耗大，使用寿命短，又由于碳滑板机械强度低，耐冲击韧性差，运行中 遇到导线硬点容易造成滑板折断和破裂，使用寿命低、易局部拉沟，特别是在雨季和潮 湿地区，因摩擦力增大，常出现弓网故障。 为了改进纯碳滑板的性能，9 0 年代初又研制出了浸金属碳滑板。该类滑板【2 2 , 3 0 - 3 5 】 在一定程度上解决了纯碳滑板机械强度低的问题，同时耐磨性也得到提高，能够达到3 万公里左右的基本要求，同时能够解决接触网导线磨耗过快的问题。但其依旧存在很多 缺陷：抗冲击能力不足，出现掉块现象，运用过程中仍需进行1 2 次以上的整形，以保 证滑板的表面平行性，控制受电弓和电气磨耗；价格过高，维护成本高，给机务段造成 了一定的经济负担，也使此类滑板的应用受到了一定限制。 随着我国电气化铁路建设的逐年扩大和发展，受电弓滑板又出现了新情况：首先， 自7 0 年代以来新架设的网线大都采用了钢铝导线；其次，经过这几年对机车的不断 提速，现有的大部分电力机车速度基本都在l o o k m h 以上，近期又实现客车运营速度为 2 0 0 k m h 的全国第6 次大提速，并正在筹划建设3 0 0 k m h 高速铁路。碳滑板虽有集流、 润滑、抗弧之长，也有性脆、机械强度低之短，极易引起弓网故障。因此，目前在干线 上碳滑板已基本停止使用，仅在运行速度低的工矿电力机车上还保持使用，铁路干线取 而代之所使用的是粉末冶金滑板【3 6 1 。 粉末冶金滑板自身磨耗不大，对导线磨耗较小，从磨耗机理看，粉末冶金滑板在使 用中可不断形成润滑膜，降低对摩擦副的摩擦系数，起到减磨作用。因此，8 0 年代初， 粉末冶金滑板成为我国的定型产品。但粉末冶金滑板也存在一些问题，主要是粉末冶金 滑扳的含油率低，当形成的润滑膜遇到破坏或者失效时，难以形成新的润滑膜来维持滑 板与导线问的良好磨合状态，这样就产生了滑板对接触网导线严重磨耗的情况【”。 我国在2 0 世纪8 0 年代末京秦线、大秦线的铜导线上使用粉末冶金滑板。仅运行2 年，铜导线就严重磨损，期间分相绝缘器中性区及两端接头处的接触网导线更换了十几 次，并发生了数起断线事故。受电弓滑板不断被接触网的硬点所打断，刮弓事故也不断出 现1 3 叫。铜基滑板在铜网线上使用对导线磨耗量虽小于铁基粉末冶金滑板，但由于铜铜 之间的粘滞效应在导线表面形成粗糙和凹凸不平的现象，也降低了导线寿命。 针对碳滑板对导线减磨自身易碎的缺点，又研究开发了铝包碳滑板1 2 t l ，它是用挤压 的合金铝框与整根碳条粘接在一起，主要目的是增加碳条强度，在钢铝接触和铜接触线 混架区段，铝包碳滑板获得了较好的运用效果。针对粉末冶金滑板材质润滑较少，含油 较低的缺点，北京粉末厂、铁道部科学研究院金化所相继推出了机械复合式铜基粉末冶 金属浸渗对碳碳复合材料组织、性能的影响 金滑板【1 9 , 2 3 , 2 4 2 甜，这种滑板可随时提供润滑，大大地降低了对接触导线的磨耗，同时其 自身的耐磨性也比较好，是种较为理想的滑板。 最近几年，浸金属碳滑板 2 2 , 3 7 , 3 9 - 4 1 l 已经开始应用，它是将碳基体中存在的大量气孔 填满金属，形成实用凝体，集中碳材料和金属材料的优点。我国哈尔滨电碳厂，早在印 年代中期就开始了浸渍金属方面的研究，8 0 年代己经具备了一定的水平，由铁科院及哈 尔滨电碳厂联合研制的浸金属碳滑板，于1 9 8 9 年1 2 月至1 9 9 0 年7 月进行了装车试验， 并在1 9 9 0 年1 1 月通过了浸金属碳滑板的技术标准。最近几年，他们生产的c 2 0 3 。滑板 的部分性能己经接近世界先进水平，通过调整基体以及提高金属浸渍工艺和改善工艺设 备性能更好的浸金属碳滑板在我国诞生将不会遥远。 现阶段，部分高校以及相关研究单位都对滑板材料投入了相当注意力，国家也在“八 五”等期间确立了相关课题以期解决这一问题。其中，北京交通大学所开发的新型材料 t i 3 s i c 2 研究的较为成熟，部分性能已经达到甚至超越了现有滑板材料的性能标准。其部 分性能如表1 1 4 2 1 所示，表1 2 所示为t i 3 s i c 2 材料与现有滑板材料的性能比较。 表1 1t i ，s i c 2 材料性能参数 t a b 1 1s o m ep r o p e r t i e so f t i 3 s i c 2 表1 2t i 3 s i c 2 材料与现有滑板材料性能比较 t a b 1 2 c o m p a r i s o n o f p e r f o r m a n c e sb o t w o e l y i 3 s i c z a n d p a n t o g r a p hs l i d e r s a t p r e s e n t 大连理工大学硕士学位论文 1 2 3 滑板材料国外研究发展状况 提到电力机车就不能不提及日本新干线。在日本新干线开通之前，铜基粉末冶金滑 板的使用较为普遍，新干线开通之后，铜系烧结合金、铜系铸造合金、铁系烧结合金三 类滑板同时被采用。 在高速行驶条件下，抗冲击及电性能的要求很高，铁系、铜系都达到了此要求。然 而，它们对导线的磨耗率很高，其中铁系烧结合金本身磨耗是期望值的3 倍左右，从而 降低了滑板的使用寿命。为了解决这个问题，在铜系和铁系烧结合金中普遍加入了 f e m o 、f e c r 、f e t i 、c r 等耐磨成分【瑚。这样，虽然出现了列车速度不断提升，受电弓数 目不断下降的情况，铜系和铁系烧结合金滑板仍是适用的。使用结果显示：在2 3 0 k m h 的速度下，其厚度磨耗率为2 6 m m 万机车公里。体积磨耗率为4 0 1 1 0 e m 3 万机车公 里，但耐磨的铁系滑板材料对铜接触导线磨损十分严重，因此应用已开始受到限制1 , 1 3 1 。 表1 3 、表1 4 列出了日本新干线使用滑板概况和性能情况1 1 3 , 3 6 1 。 在欧洲，法国的t g v 、德国的i c e 和西班牙的a v e 都是赫赫有名的高速铁路，它们和 日本的新干线一起代表着现代铁路发展的最高水平 1 0 l 。在欧洲，碳滑板是主流产品 3 9 , 4 0 1 ( 主要是金属浸渗碳滑板) ，在英国几乎所有车辆都使用金属化石墨滑板，其部分性 能如表1 5 所示p o l 。 表1 3 日本新干线使用滑板成分 t a b 1 3g e n e r a lc o m p o s i t i o ns i t u a t i o no f p a n t o g r a p ho f n e wm a i nl i n ei nj a p a n 一9 一 金属浸渗对观碳复合材料组织、性能的影响 表l5 欧洲主要浸金属碳滑板性能 t a b i 5 t h e m 可o r p e m m l a | l s o f p a n t o g r a p hs l i d e r s i n e u r o p e 在欧湘所使用的滑板不仅有蘸好的机械、电学性能( 表1 6 所示) ，而且摩擦磨损 性能也是十分优异。法国t g v 东南线( 2 7 0 妇池) 以前曾用过钢滑板，t g v 大西洋线以 前用的是钢滑板和碳滑板，现在普遍用的都是碳素滑板，其磨耗率为2 5 5 4 r a m 万机 车公里。德国的i c e ( 2 5 0 k m h ) 自1 9 9 1 年运行以来，一直使用纯碳素滑板，其磨耗率在 1 7 2 2 m m 万机车公里。英国的电气化铁路使用的是传统的浸金属碳滑板，但其开发的 纯碳素滑板电阻率低，强度高，磨耗率为2 5 5 4 m m 万机车公里。 大连理工大学硕士学位论文 表1 6 国内外典型的电力机车受电弓用碳材料滑板的类型及性能 t a b 1 6 t y p e sa n dp o r f o r m a n c eo f c a r b o ns l i d e rf o re l e c t r i cl o c o m o t i v ep o w e rc o l l e c t o r 1 9 6 9 年，前苏联在1 5 0 0 v 直流电气化铁道区段上开始试用粉末冶金滑板，并对粉末 冶金滑板进行了专门的研究并在适宜区段进行推广应用，其中前苏联对铁基粉末冶金滑 板研究较为关注，其滑板成分及性能见表1 7 1 3 6 ，4 4 1 。 表1 7 前苏联粉末冶金滑板的成分及性能 t a b 1 7 p h y s i c a lp e r f o r m a n c ea n dc o m p o s i t i o no f p mp a n t o g r a p ho f t h es o v i e tu n i o n 1 2 4 滑板材料研究方向及发展趋势 在实际研究和选用滑板时，首先应考虑减少对导线的磨耗，延长它的使用寿命；其 次应考虑滑板的消耗，增加滑板的使用寿命；同时还要考虑对环境污染小。这就要求研 究寿命长，耗能小，具有再生性的滑板材料m 】。 通过总结现有各类滑板的优缺点，及对滑板磨耗机理【1 1 删等进行深入理论探索，材 料科学研究工作者一方面对现有滑板材料进一步进行性能完善和提高1 2 1 , 2 9 , 3 7 , 4 7 , 4 s 1 ，如对 粉末冶金滑板摩擦磨损性能的改善和对碳滑扳机械强度的提高，另一方面则尝试开发滑 金属浸渗对碳碳复合材料组织、性能的影响 板用新材料。其中，在性能完善和提高方面的工作主要集中在对粉末冶金滑板摩擦磨损 性能的改善和对碳素滑板机械强度进行提高和改善。 在新材料方面，随着碳纤维以及各种复合材料在工程界的应用逐步扩大，一些科研 院所、高等院校也在研究探讨应用碳金属复合材料制造受电弓滑板的可能性，相信不 久的将来将会有新产品投入实际应用。 上海交通大学和宝钢集团嗍开发了一种新型的碳纤维增强碳基复合材料滑板。该滑 板以镀铜石墨粉和镀铜焦碳粉为基体材料，采用短切碳纤维为增强剂，并用热固性树脂 为粘结剂，将原料充分混合后，进行冷压或热压成型。该滑板材料可根据需要，通过调 整镀铜粉末的铜含量来调节该材料的电阻率。冷压成型后，还可根据用户的使用要求， 对材料进行浸渍树脂处理和烧结处理，以进一步提高材料的致密性和机械性能。用该复 合材料制成的滑板具有优良的摩擦磨损性能、机械性能和导电性能。但该滑板生产周期 长，成本商，如果在降低制造成本方面有所突破将具有广阔的应用前景。 其他几家单位所研制的产品，其设计思想、配方组成及成型工艺各有特色。一般而 言，碳纤维复合材料滑板以金属纤维、金属粉末、金属丝网或金属镀层为导电成分，以 碳纤维和矿物纤维为增强剂，以石墨、二硫化铝等为润滑组分，以热固性树脂为粘结剂， 并添加抗冲击改性剂等热压而成。 总的来看，在受电弓滑板材料研究和应用的过程中，主要经历了纯金属滑板( 铜滑 板、软钢滑板) 、纯碳滑板、粉末冶金滑板( 铁基和铜基) 、浸金属碳滑板、复合型滑板、 金属基或非金属基复合材料滑板的发展历程。 各种滑板材料在不同发展阶段中起到了很大的作用，各有千秋。随着铁路电气化和 高速化的不断发展，对滑板材料的要求不断提高，现有材料满足不了实际需求，必须不 断研制新的材料。 考虑导线使用寿命为3 0 年，目前更换l 公里导线需l o 万元以上支出，所以铁道部 门以保导线作为第一原则【1 4 1 ，滑板的发展趋势将以碳纤维滑板、金属纤维滑板，带有自 润滑和它润滑功能的金属基复合材料( 如铜缀复合材料) 、非金属基复合材料( 如碳基复合 材料1 取代碳滑板以及粉末冶金滑板。 受电弓滑板既是一种电接触材料，又是一种耐磨减磨材料；既要有良好的导电性和 集电能力。又有适中的综合机械性能；所研制的滑板材料要与弓网系统相匹配；在研究 滑板材料的同时又要研究接触网导线，所以说研制和选用滑板材料是一个系统工程的概 念。 国内外干线主要采用铜合金导线及以碳结构为主相配套的受电弓滑板。含碳基复合 材料是今后电力机车滑动集电材料的主要发展方向。 大连理工大学硕士学位论文 本研究小组探讨采用金属浸渗的方法制得复合材料作为受电弓滑板材料使用的可 能性，主要研究了金属浸渗前后不同复合材料的密度、导电性能、弯曲性能及摩擦磨损 性能之间的变化规律【5 0 , 5 1 1 。 1 3 受电弓滑板摩擦磨损研究 摩擦学一词，来源于希腊语“t r i b o s ”，最早出现在英国教育与科研部门委托约斯特 ( 1 i p j o s t ) 等人组成的调查组1 5 2 , 5 3 1 。摩擦磨损涉及知识面广，现象复杂又难以暴露、基 础理论尚不十分成熟，有关摩擦磨损的理论还在继续深入发展1 5 4 1 。总之，对摩擦的研究 成熟，对磨损研究相对较少1 5 5 】。研究摩擦学的主要目的是通过控制摩擦，减少磨损，改 善润滑。 我国电力机车的发展起步较晚。国外在受电弓滑板一接触导线方面的摩擦学研究公 开发表的资料也较少。在目前的运行速度下，国内的滑板接触导线磨损比较严重，与 国际先进水平差距较大。另一方面，我国对发展高速列车要求迫切，高速列车的运行对 弓网系统提出了更高的要求。因此受电弓滑板接触导线的摩擦磨损研究己成为发展高 速铁路的关键问题之一l l ”。 1 3 1 电力机车受电弓滑板摩擦磨损机理研究 受电弓滑板接触网导线构成这一特殊摩擦副，其摩擦磨损机理非常复杂。根据其 高速滑动、随机变载荷、强电流等工况特点及环境条件，李娜o m 6 1 等研究表明，