（材料学专业论文）纤维增强cuc复合材料制备及性能研究.pdf

摘要 摘要 c u - c 材料是目前最具应用前景的电力机车受电弓滑板用材料之一，本文研 究了c u 与c 之间的润湿原理，利用m o 元素有效改善了c u 与c 之间的润湿性； 并对冷压烧结法制备纤维增强c u - c 复合材料的工艺过程及其对性能的影响进行 了研究；通过带电摩擦试验对c u - c 复合材料带电摩擦磨损机理进行了初步探讨。 选择m o 元素有效改善了两元素之闻的润湿性。用溶胶凝胶法制备出表面 层为a - m 0 2 c - m o 的石墨粉体及纤维，之后采用化学镀和电镀的方法在石墨和纤 维上镀上了色泽光亮的铜镀层，最后以冷压烧结法制备出不同工艺参数条件下的 c a c 复合材料。 研究了各种工艺参数( 烧结温度，保温时间，纤维含量) 对复合材料的组织 及性能的影响，结果表明：烧结温度为1 1 5 3 k ，保温时间为1 5 h 时，材料组织 中铜相和石墨相弥散分布，镀铜纤维的加入对材料的微观组织影响不明显。随烧 结温度升高、保温时间延长以及纤维含量增加，材料密度逐渐降低，硬度值和冲 击韧性值先增加后降低；材料电阻率随着保温时间和纤维含量的增加逐渐增加， 而随着烧结温度的升高先降低后升高；复合材料摩擦系数和磨损率随烧结温度的 升高，都是先降低后升高，当温度在1 1 5 3 k 时，摩擦系数和磨损率达到最低。 随保温时间的增加，复合材料摩擦系数和磨损率在不同摩擦速度下的变化趋势几 乎相同，在保温1 5 h 时耐磨损性能最好；随着碳纤维体积分数增加，不同摩擦 速度下摩擦系数呈单调减小的趋势，且有趋于稳定的趋势，磨损率整体呈减小趋 势，当纤维含量在3 时，磨损率最低。在理论分析与试验研究的基础上确定了 比较合理的各种工艺参数：烧结温度为1 1 5 3 k ，保温时间为1 5 h ，纤维含量为 3 。 初步探讨了复合材料带电摩擦磨损机理。结果表明，摩擦磨损过程中出现的 磨屑主要是铜屑、铜颗粒和石墨颗粒，磨屑的主要成分是c u 、c u 2 0 和c 。在整 个材料磨损过程中磨损形式主要为粘着磨损，摩擦一段时问后，剥层磨损和磨粒 磨损开始出现，在整个磨损过程中都伴随着氧化磨损。 关键词：受电弓滑板，复合材料，冷压烧结，溶胶凝胶法，摩擦磨损 n o r t h w e s t e r np o l y t e c h n i c a lu n i v e r s i t yd i s s e r t a t i o nf o rp h m a b s t r a c t c u - cc o m p o s i t ei so n eo ft h em o s tp o t e n t i a lm a t e r i a l sf o rp a n t o g r a p hs l i d ep l a t e , w h i c hi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f p a n t o g r a p hs y s t e mi nl o c o m o t i v e t h ep r i n o i p l e o fw e t t a b i l i t yb e t w e e nc ua n dcw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h ee l e m e n to fm o w a ss e l e c t e dt oi m p r o v et h ew e t t a b i l i t yb e t w e e nc ua n dc 耽ef a b r i c a t i o np r o c e s so f c o l dc o m p r e s s i o ns i n t e r i n gf i b e rr e i n f o m e dc u - cc o m p o s i t ea n di t se f f e c to nt h e c o m p o s i t ep r o p e r t yw e r es t u d i e d t h ew e a l a n df r i c t i o nm e c h d _ r f i s mo fc u - c c o m p o s i t ew a si n v e s t i g a t e di n i t i a l l yb ye l e c t r i f e r o u sf r i c t i o nt e s t m ow a sc h o s e nt oi m p r o v et h ew e t t a b i l i t ye f f e c t i v e l y t h ea o m o z c - m oc o a t i n g w a sc o a t e do nt h es u r f a c eo fg r a p h i t ep a r t i c l ea n dc a r b o nf i b e rb yt h es o l g e lm e t h o d , a n dt h e nt h ec uc o a t i n gw a sa l s oc o a t e do nt h es u r f a c eb yc h e m i c a la n de l e c t r i c a l c o a t i n gm e t h o d c u - cc o m p o s i t ew a sf a b r i c a t e db yc o l dc o m p r e s s i o ns i n t e r i n g m e t h o du n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r t h ee f f e c to fd i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ( s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e ，s o a k i n g t i m e ，c o n t e n to fc a r b o nf i b e r ) o nt h ep r o p e r t yw a ss t u d i e d t h em i c r o s t r u c t u r eo f c o m p o s i t ei su n i f o r mw h e nt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s1 1 5 3 ka n dt h es o a k i n gt i m ei s 1 5 1 1 , t h ee f f e c t o f t h e j o i n t o f c a r b o n f i b e r o n c o m p o s i t e m i c r o s 自r u c t u r e i s n o t o b v i o u s w i t ht h ei n c r e a s i n go fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e , s o a k i n gt i m ea n df i b e rc o n t e n t ，t h e d e n s i t yo fc o m p o s i t ed e c r e a s eg r a d u a l l y n ev i o k e r sh a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s s i n c r e a s ea tf i r s ta n dt h e nr e d u c e t h ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yg r a d u a l l yi n c r e a s e sa l o n g w i t hi n c r e a s i n gb o t ht h es o a k i n gt i m ea n df i b e rc o n t e n t ，b u tr e d u c e sa tf i r s ta n dt h e n i n c r e a s e sw i t l lt h ei n c r e a s i n go fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e t h ew e a rr a t ea n df r i c t i o n c o e 茄c i e n to fc o m p o s i t em a t e r i a l sd e c r e a s emf i r s ta n dt h e ni n c r e a s ew i 也t h e i n c r e a s i n go fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e w i l e st h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s1 1 5 3 kt h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ew e a l r a t ea r et h el o w e s t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es o a k i n g t i m e ，t h ew e a rr a t ea n df r i c t i o nc o e f f i c i e n th a v et h en e a r l ys a m ec h a n g et r e n da tf o u r d i f f e r e n ts p e e d s t h eo p t i m a lw e a rr e s i s t a n c ei sa c q u i r e da tl 5 h w i t ht h ei n c r e a s i n g o fc a r b o nf i b e rc o n t e n t ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n tr e d u c e sm o n o t o n o u s l ya td i f f e r e n ts p e e d ， a n dt h e nb e c o m es t a b l eg r a d u a l l y t h ew e a rr a t eo fa l lr e d u c e s t h ew e a rr a t ei st h e l o w e s tw h e nt h ef i b e rc o n t e n ti s3 o nt h eb a s eo f t h e o r yr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o b t a i nt h e a p p r o p r i a t ep r o c e s s i n gp a r a m e t e rv a l u e s ：s i n t e r i n g n a b si r a c t t e m p e r a t u r ei s1 1 5 3 k s o a k i n gt i m ei s1 5 h , a n df i b e rc o n t e n ti s3 珏ew e a l ra n df r i c t i o nm e c h a n i s mi si n v e s t i g a t e di n i t i a l 哆弧er e s u l t ss h o wt h a t t h em a i nm a t t e r , w h i c ha p p e a r si nt h ep r o c e s so ff r i c t i o na n dw e a r , a r et h ec o p p e r s c a l e ，t h ec o p p e dp a r t i c l e sa n dg r a p h i t ep a r t i c l e s , t h em a i nc o m p o n e n to fg r i n d i n g sa r e c u , c u 2 0a n dc 1 1 1 ea d h e s i v ew e a ra p p e a r sm a i n l yi n t h ee n t i r ep r o c e s s ， d e l a m i n a t i o nw e a l a n dg r a i na b r a s i o nb e g i n st oe m e r g ea f t e rap e r i o do ft i m e 。n e w h o l ep r o c e s sh a sb e e na c c o m p a n i e dw i t ho x i d a t i o nw e a r k c y w o r d s ：p a n t o g r a p hs l i d ep l a t e ，c o m p o s i t e ，c o l dc o m p r e s s i o ns i n t e r i n g ，s o l 。g e l m e t h o d ，f r i c t i o na n dw e a r h i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校玫读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校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可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名擞 印叼年： 月；1 e t 指导教师签名：三三苎多指导教师签名二k 兰刍 7 一习年q 月倔 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导f 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研 究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：王：鏖鑫 唧年月；7 日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 课题的研究背景和意义 铁路的电气化和高速化是发达国家交通发展的一个重要标志。大力发展电气 化和高速化铁路是提高运输能力、提高运输速度、提高铁路参与市场竞争能力的 最有效的方法。我国的电气化铁路建设自改革开放以来发展也极为迅速，每年以 大约1 0 0 0 公里的速度增加，电力机车的数量也随之增加，而作为电力机车从接 触网导入电能的关键部件受电弓滑板的性能提出了更高韵要求。 受电弓滑板是铁路电力机车上将电网导线上的电流引入机车上的接触导电 元件，其工作环境恶劣( 高温、高速、重载、大冲击、润滑不良等) ，是电力机 车中更换最频繁、消耗量最大的部件，一般每行驶5 0 0 0 公里就需要更换一次， 维护负担加重、材料消耗严重。 此外，不良的受电弓滑板直接影响输电电缆的寿命，对铁路运行成本的影响 较大。铁路列车经过几次提速，机车的运行速度已达到1 6 0 公里，j 、时以上。机 车速度的提高也需进一步提高受电弓滑板与接触网线的质量，铁道部对滑板材料 选用的原则是：首先要保护网线，其次再考虑滑板本身的使用寿命【l l 。 随着铁路列车不断提速，原有的受电弓滑板零件己经不能满足现在高速和准 高速机车的使用要求。我国目前尚无高速受电弓滑板的生产厂家，高速列车的受 电弓滑板还有赖于进i ：lc 2 j 为适应列车提速要求，必须进行相关的技术改造，原 有受电弓滑板已不能满足技术要求和我国的基本路况，急需要开发一种新型替代 产品来满足技改要求。受电弓滑板技术改造项目具有广阔的市场前景和巨大的经 济效益。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。地铁、 城市轻轨等新型交通工具的逐渐增加将带来新的市场需求。 1 2 受电弓滑板的性能要求及分类 1 2 1 受电弓滑板的性能要求 电力机车受电弓滑板是电力机车获得动力来源的重要集电元件，安装在受电 弓的最上部，直接与接触网导线接触( 如图1 1 所示) 。滑板在静止或滑动状态 西北工业大学工学硕士学位论文 下从接触网导线上获取电流，来维持电力机车的正常运行，受电弓滑板在大自然 环境中工作，在运行中与接触网导线不断产生冲击力，因此受电弓滑板工作环境 恶劣【3 】。 图l - l 受电弓滑板工作不意图 f i 9 1 1 w o r k i n gd i a g r a m m a t i cs k e t c ho f p a n t o g r a p hs l i d i n gp l a t e 滑板的实际使用寿命取决于滑板本身材质和机车运行的工况。其主要的失效 形式是磨耗到限。对于碳滑板，还可能有折断、脱落掉块等形式。滑板磨耗可分 为机械磨耗和电气磨耗。机械磨耗是指弓网问通过机械接触产生的磨耗，电气磨 耗则是指运行中滑板离线产生电弧而引起的磨耗。影响滑板磨耗的主要因素有： 接触压力、受电电流和走行速度，此外，还与线路状态、接触网悬挂类型、受电 弓性能、滑板材质及运行条件等因素有关。 滑板的电气磨耗随着接触压力的增加而减小。而机械磨耗随接触压力的增大 而增大。滑板和导线间的接触压力一般控制在7 0 n 左右。电气磨耗随受电电流 的增大而增大。受电电流越大，滑板表面温度越高，使滑板接触面工况恶化，导 致机械磨耗加尉。 运行速度的提高会增大磨耗量。现在的速度已达到2 0 0 k m h 以上，高速有许 多潜在的危险，主要反映在两方面：一是高速走行增加了离线次数，滑板磨耗量 与离线成正比，二是高速走行增加了滑板面摩擦产生的热量，导致滑板表面升温， 引起滑板表面状况恶化。此外，滑板的磨耗还受周围环境的影响。机车在粉尘风 沙大的地方运行，粉尘、砂粒等落在滑板与导线之间，产生磨粒磨损，也会增加 滑板和导线的磨损。在某些不良路段上，电网导线上硬点很多，一旦受电弓滑板 受到冲击断裂，极易发生刮弓等严重的弓网事故，造成重大经济损失。 1 2 2 受电弓滑板的种类 电力机车受电弓滑板按材料分类，主要有金属滑板和碳素滑板两大类【4 】。表 2 第一章文献综述 l l 是国内外主要滑板的类型及其性能。 表1 - 1国内外受电弓滑板类型和性能m t a b l 1 t y p e sa n dp e r f o r m a n c e so f p a n t o g r a p hs l i d i n gp l a t ei na n da b r o a d 国家种类 密度硬度强度( m p a )电阻率主要成分 或地 区 幽m 3 ( h s ) 抗折 抗压 u n m m c ( 浸金属碳)2 61 0 08 59 碳、锡、铅 日本s w ( 纯碳)1 77 58 53 0 碳 b c ( 烧结合金) 7 65 5 - 6 5 2 2 0o 2 4 铜、铁、锡、镍 m y 7 d ( 浸金属碳)2 49 6l l o4 2 08 ，l 碳、铜、锡、铅 欧美 c y 3 t a ( 纯碳) 1 79 25 0 1 9 3 2 4 碳 纯碳滑板1 76 53 03 6 4 83 5 碳 粉末冶金滑板6 5 7 57 5 1 2 04 8 5 60 3 5 铜或碳 中国 钢滑板7 81 6 0o 3钢 浸金属碳滑扳 2 79 68 0 3 0 0 3 浸金属 ( 1 ) 纯金属滑板 钢、铜等纯金属滑板是我国2 0 世纪6 0 年代早期的电力机车受电弓滑板产品。 该类型滑板机械强度高，集电容量大，耐磨性和导电性都较好。国产机车均用铜 滑板，进口机车用钢滑板。该滑板取材方便，制作简单，成本低，机械强度高， 耐冲击，集电容量大，耐磨性和导电性都好，使用寿命长，检修方便，但是滑板 和导线材质相近，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。该类型滑板现在已不能适应电气化铁路发展的需要。 ( 2 ) 粉末冶金滑板 粉末冶金是一种制取金属粉末，以及采用成形和烧结工艺将金属粉末( 或金 属粉末与非金属粉末的混合物) 制成制品的工艺技术。主要分为铁基和铜基滑板 两种。铁基滑板以机械强度高，表面硬度高，耐冲击、摩擦性能好等优点得到广 泛应用，主要是在钢铝导线区段，运用效果好，但是在铜导线区的效果很差，对 铜导线的磨耗相当严重。铜基滑板与钢铝和铜导线都很匹配，但是成本稍高，现 在应用最多的就是铜基粉末冶金滑板1 6 8 】，但是该滑板是在空隙中注入油脂来产 生润滑，这样经过一段时间后，油脂容易挥发掉，就导致了对导线的严重磨损， 因此该滑板需要改进 ( 3 ) 纯碳滑板 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附现象。碳滑板 与铜接触导线摩擦时可以在导线上形成一层碳膜，大大改善了导线的磨耗状况。 但是碳滑板机械强度低，耐冲击性差，运行中遇到导线硬点容易造成滑板折断和 西北工业大学工学硕士学位论文 破裂，使用寿命低，特别是雨季和潮湿地区，易出现局部拉沟，常出现弓网事故。 另外，碳滑板固有电阻大，集电容量小，接触温度高，有可能引起导线过热氧化， 烧成连续麻坑，加速导线磨耗。碳滑板粉末还会污染机车绝缘子和接触网绝缘子， 造成绝缘子发生放电现象。引起击穿【9 】。 国外先进的碳滑板经过特殊的石墨化工艺处理，断裂敏感性降低，抗冲击性 增强，国内新建的地铁等高速车辆上一般使用这类的进口产品，但这类产品生产 成本高，价格昂贵，作为易损件不适于一般应用。 ( 4 ) 浸金属滑板 浸金属碳滑板既具有粉末冶金滑板机械强度高、电阻率小的特点，又具有纯 碳滑板对导线磨耗小、在导线摩擦表面易形成润滑膜和熄弧性强的优良性能，改 善了纯碳滑板机械强度低的问题，是目前被认为对网线适应能力较强的滑板类 型。经每万弓次统计【1 0 1 ，浸金属碳滑板对铜导线的磨耗比碳滑板的高1 0 - - 2 0 ， 仅为粉末冶金滑板的1 6 1 4 ；滑板自身磨耗量是粉末冶金滑板的2 2 倍，是纯 碳滑板的1 4 - - 1 3 。但其存在很多缺陷，抗冲击力不足，出现掉块现象，运用过 程中需要整形来保证滑板的表面平行性，这样维护成本过高，给机务段造成了一 定的经济负担，因此该类滑板也受到一定限制1 1 1 。 ( 5 ) 复合材料滑板 ，复合材料滑板是近几年随着复合材料的兴旺发展而出现的，国内且前尚处于 实验阶段，还没有产品投入实际应用。 a 碳金属纤维复合材料滑板 以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强碳基体，采用适当的 混料方式使增强剂均匀地分布于基体之中，然后进行冷压或热压，再经过高温烧 结即得到该复合材料。这种材料的机械性能和导电性能都比较好。但如果出现增 强剂的损伤，复合材料的导电性能会严重恶化。由于金属在碳基体中以较大的尺 寸分布，该复合材料滑板对铜导线的磨损也较严重。 2 0 世纪9 0 年代初国外生产了一种碳基体分布着钢纤维的复合材料。该方法 用焦炭粉混合钢纤维( 体积分数为3 0 ) ，以沥青作粘结剂，经7 7 3 k 热压成型， 然后于1 2 7 3 k 碳化处理，经1 0 7 3 k 热处理后水淬而成。由于在碳化和热处理过 程中，钢纤维表面会发生过度渗碳，降低复合材料的抗弯强度，因此需对钢纤维 进行表面预处理，主要是化学镀铜。钢纤维表面经化学处理后，抑制了金属纤维 的碳化趋势，保证了金属纤维本身的强度不被削弱，从而提高了碳素复合材料的 整体强度。这种复合材料的密度约为3 7 9 c m 3 ，硬度在7 5 h s 左右，抗弯强度在 1 6 0 m p a 左右，冲击韧性约为1 0 j c m 2 ，电阻率约为1 5 0 u q m 【悯。 b 碳碳复合材料滑板 4 第一章文献综述 上海交通大学和宝钢( 集团) 公司针对碳滑板的不足，联合开发了一种新型 的碳纤维增强碳基复合材料的受电弓滑板。该滑板以镀铜石墨粉和镀铜焦碳粉末 为基体材料，采用短碳纤维作为增强剂，并用热固性树脂作为粘结剂，将原料充 分混合后，进行冷压或熟压成型【1 6 1 。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，以进一步提高复合材料的致密性和机械性能。 用该复合材料审5 得的滑板不仅具有优良的摩撩磨损性能，而且具有良好的机械性 能和导电性能，是一种综合性能十分优秀的受电弓滑板。但该滑板生产周期长， 成本高。目前虽已申请专利尚未投入应用。如果在降低制作成本方面能有所突破， 该滑板无疑具有广阔的应用前景【1 7 1 。 1 3 复合材料的摩擦学 摩擦学是研究相互运动表面间发生的作用和变化，它包括摩擦、磨损和润滑 三种相互联系又有区别的作用形态n 8 - 2 3 1 。铜石墨复合材料的摩擦磨损受诸多因 素的影响，如摩擦副的匹配、环境、有无载荷、带电与否等。受电弓滑板主要是 在一定载荷和电流下工作，因此我们对滑板材料的摩擦磨损性能的分析主要包括 摩擦系数、磨损率等。 1 3 1 材料的摩擦特性 摩擦表面形态和表面接触状况是摩擦学机理研究的微观本质【1 9 , 2 0 l 。一般情况 下两摩擦面均具有比分子尺寸大许多的凹凸部分，固体接触是支撑在这些不平处 的最高点的顶点上的，因此，紧密接触的面积是很小的，并且与表面大小几乎无 关而取决于压力，在压力作用下局部的接触点发生弹塑性变形直到能支撑负荷为 止；因为滑动时所有摩擦均集中作用于很小面积上，因而摩擦接触点上温度可以 达到很高的值，在中等滑动速度下就可以使金属产生局部软化和熔融，并且接触 区的压力是非常大的，在此种条件下，接触区就发生了所谓“冷熔焊”，摩擦力主 要就是剪切这些结点所需的力，金属结点的剪切、变形和铲除即构成了金属的物 理磨损；如一个表面比另一个表面硬，或表面间存在硬的第三相磨粒，则较软表 面会被刨进一定深度，相互运动时产生刨削作用，引起摩擦与磨损；摩擦系数取 决于结点剪切强度和较软金属的屈服应力值，在大气中，金属表面会吸附水份、 气体等杂质，表面也会氧化生成氧化膜，这些杂质使接触的表面互相隔开，减少 了金属粘着发生的可能或使粘着点剪切强度大为降低；人为引入润滑剂膜也可降 西北工业大学工学硕士学位论文 低接触紧密程度和结点的平均粘着强度，从而使摩擦降低；如果润滑剂膜的存在 完全消除了金属之间的粘着，则摩擦由润滑剂膜本身剪切强度所决定；试验中石 墨即作为固体润滑剂引入的，石墨在洁净的滑动表面有很强的粘着性，同时石墨 层片又具有很高的压缩强度，因此石墨石墨接触滑动摩擦时给出很小的接触面 积，由于石墨层片间剪切强度低，材料中的石墨脱落并填入摩擦表面的微观凹坑 中，在摩擦界面闯形成具有澜滑作用的石墨转移膜，起到很好的减摩和阻摩作用， 从而保持低的摩擦系数和摩擦稳定性 2 0 , 2 1 脚“。 1 3 2 磨损的分类 材料磨损的方式包括粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、 微动磨损等方式。受电弓滑板的磨损形式主要是粘着磨损和磨粒磨损。日本学者 松山晋作 3 2 1 把受电弓滑板的磨损形式主要分为机械磨损、电气磨损、化学磨损等， 如表1 2 所示。 表l - 2 滑板磨损的主要分类 t a b 1 - 2m a j o rt y p e so f w e a ro f s l i d i n gp l a t e 机械磨损电气磨损腐蚀磨损 粘着磨损电弧熔损氧化磨损 磨粒磨损电离子转移 疲劳磨损 ( 1 ) 粘着磨损 粘着磨损是在法向加载下，两个接触表面相对滑动时产生的。由于宏观光滑 的表面，从微观尺度看总是租糙不平的，当两个表面贴合时，接触的将只是表面 上的一些比较高的突点，他们支撑着整个载荷，承受很大的压力，以致使很多微 突体发生了塑性变形。如果两者之间没有表面膜存在，接触区会发生局部再结晶、 扩散或熔化等变化，产生表面粘着。但因为金属表面受法向载荷同时又有切向运 动，表面膜就会被压碎破裂，造成新生表面直接接触，形成粘着。若载荷和速度 都很大，摩擦表面温度升高，更促使表面膜破坏，形成粘着。粘着、撕脱、再粘 着的循环过程就构成粘着磨损。 ( 2 ) 磨料磨损 磨料磨损主要出现于下列两种情况：一是粗糙而坚硬的表面贴着软表面滑 动，另一种情况是由游离的坚硬粒子在两个磨擦面之间滑动而产生的磨损。不难 看出，在粘着磨损时，如果产生的磨损碎片坚硬且呈游离状态，这将出现磨粒磨 损。磨料磨损作用在硬质点上的力分为垂直分力和水平分力，前者使硬质点压入 6 第一章文献综述 材料表面，后者使硬质点与表面之间产生相对位移。硬质点与材料相互作用的结 果是表面发生犁沟或切削，并在表面留下细槽。 ( 3 ) 疲劳磨损 在纯滚动或滚动复合磨擦情况下，表面因受交变应力反复作用造成的磨损称 为疲劳磨损。疲劳磨损和粘着及磨粒磨损不同，后两者的出现一般有赖于固体的 直接接触。如果两个表面被润滑膜完全隔开，且不含磨粒，则粘着与磨粒磨损机 制就不起作用。但在两个物体的滚动运动中，尽管两个固体表面可能不发生直接 接触，但相配表面在滚动中可能受到通过润滑液膜传递的很大应力，由此产生疲 劳磨损。 ( 4 ) 腐蚀磨损 在磨擦过程中金属与周围介质发生化学或电化学反应，由于磨擦和反应的综 合作用使材料发生尺寸和重量损失的现象称为腐蚀磨损。随周围介质的改变，以 及它们作用方式的不同，腐蚀磨损可分为氧化磨损，微动磨损和气蚀。 1 3 。3 带电条件下材料的摩擦磨损 受电弓滑板接触网导线构成特殊摩擦副，其摩擦磨损机理非常复杂。李娜1 3 封 等详细研究了高速滑动、随机变载荷、强电流等工况特点及环境条件下的摩擦磨 损机理，受电弓滑板接触导线问的机械磨损在正常情况下，以粘着磨损为主。 在载荷作用下。实际接触峰点处的应力可能达到受压屈服极限而形成粘着结点， 滑动中粘着结点剪切断裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另 一个表面。根据粘结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有从轻微擦伤磨损、粘 着到严重的胶合磨损几种形式。而粘着点的强度很大程度上取决于接触处的握温 度场，包括接触点温度和沿材料表面深度方向的温度梯度。 在高速滑动和强电流的综合作用下和相互激化下，弓网系统的摩擦学行为和 机理十分复杂，对于这种综合作用和相互激化，原因分析如下： 摩擦表面的质量包括表面形貌、材料硬度等，是影响摩擦磨损的重要因素。 表面接触时进入真实接触上表面上很少一部分粗糙峰( 或称微凸体) 。表面越粗 糙，真实接触粗糙峰就越少，承受的局部压强越大，越容易出现粘着、熔焊等现 象；表面越粗糙，租糙峰相对越尖锐，越容易引起犁沟现象，造成切槽划伤等磨 损。 ， 由于受电弓滑板接触导线问的离线拉电弧现象，导致电烧蚀，使表面质量 下降，表面粗糙，甚至形成不规则表面，从而导致摩擦磨损的加剧甚至恶化。同 时由于真实接触粗糙峰减少，它们所承担的电通量加大，接触电阻增大，发热量 增大结果是粗糙峰实际接触时的瞬时闪温升高，加剧了峰点的软化甚至熔融， 7 西北工业大学工学硕士学位论文 即加剧了粘着熔焊的作用。 由于弓网处于野外环境并带电运行，因而受电弓滑板接触导线还存在以化 学或电化学作用为主的氧化磨损或腐蚀磨损。氧化磨损和腐蚀磨损的共同特点是 生成某些特殊的表面层，然后在机械作用影响下，表面层材料脱落。所不同的是， 氧化表面层的生成具有两重性，一种是生成脆性层，与机体粘接强度不高。易于 剥落，使磨损加剧；另一种是形成对机体的保护层，有一定的减磨耐磨作用。而 腐蚀磨损只会加剧磨损，强电流作用是促使腐蚀磨损发生的主要因素。 1 4 受电弓滑板用c u c 复合材料的研究进展 为使滑板具有自润滑和耐电弧烧蚀能力，通常在滑板中添加石墨。添加石墨 后，铜基滑板中出现烧结膨胀的现象，为此，有人探讨了石墨含量对铜基滑板烧 结膨胀的影响。发现膨胀机制是石墨阻碍金属颗粒形成烧结颈，使烧结初期因释 放应变能和排放成型剂而引起的膨胀得以保留，烧结膨胀率与石墨含量近似于线 性关系p 4 1 。铜基复合材料中不含石墨时，材料的摩擦系数和磨损率均较大，磨损 主要为粘着磨损；添加石墨后，材料的摩擦系数和磨损率均显著降低，且随石墨 含量增加，摩擦系数逐渐降低，在一定石墨含量范围内( 妈5 ) ，磨损率也逐 渐减小，这与材料的强度、硬度有关。材料的磨损以应变疲劳磨损为主，随载荷 增加，摩擦系数和磨损率均增加f 3 l 】。 镀铜c c u 复合材料，组织致密，石墨细小弥散分布均匀，金属铜包覆石墨 形成空间细小的三维网络，这种组织状态成分发挥了铜和石墨各自的优势，使复 合材料的导电、导热和耐磨性提高【3 5 】。通过研究石墨表面化学镀铜对粉末冶金法 制备铜石墨材料的抗弯强度的影响，得到的结果是，随石墨含量的变化( 体积分 数为6 - 2 0 ) ，材料抗弯强度较未镀铜的提高了1 3 8 - - 1 5 5 。通过金相组织 及断口形貌观察，发现化学镀使石墨分布更加均匀，且使c c u 的界面结合强度 提高【3 6 】。 通过研究碳纤维的表面镀铜发现：适当的表面处理可有效地改善碳纤维表面 的浸润性和粗糙度；对化学镀铜过程加以改进，可有效地提高碳纤维镀铜质量。 将化学镀和电镀结合使用，是提高c 镀铜效果的行之有效的方法【3 7 1 。 用粉末冶金法制备的c c u 复合材料的纤维组织中，石墨含量相同时，石墨 粉粒越细小，对铜基体的割裂作用越强，呈现出由石墨所组成的界面将铜基体分 隔成细小微粒的组织状态。复合材料的磨损方向垂直压制方向时的耐磨性优于平 行于压制方向时的耐磨性能【3 9 】。 根据目前电力机车受电弓滑板应用的背景，有人研究了在c c u 复合材料中 8 第一章文献综述 加入碳纤维后对复合材料滑动电接触性能的影响。得到了碳纤维增强c c u 复合 材料冲击性能和导电性能比纯碳滑板好，滑动接触性能优于浸金属碳滑板，是具 有发展前途的滑动电接触材料 3 9 1 。 界面是复合材料的重要组成部分，界面的结构和性质决定着复合材料的最终 性能，而基体金属与增强体的润湿性则是影响界面结构与性质的关键因素 4 0 】。 由于c u 与c 材料不润湿，复合时只能是机械互锁结合，这样界面强度低，当承 受载荷时，往往造成c 增强体的拔出、剥离或脱落。除进行c 材料的表面处理 如电镀、化学气相沉积等方法外，c u 基体的合金化也是改善c u 与c 材料润湿 性的主要途径之一。王玉林等研究了各种合金元素改善c 与c u 的界面结合状态， n i 、c r 等元素使界面产生反应结合，c r 强烈地影响c u 与c 材料的润湿性。在 试验范围内，c r 质量分数越高，试验合金与柔性石墨板和c 片的比接触面积就 越大，接触角越小。层片结构的柔性石墨板有利于润湿过程中液体金属的铺展， 而颗粒结构的c 片与液滴润湿时使界面的结合强度更高1 4 2 4 3 。 为了使c u 与c 能够有效地结合在一起，有人研究了交叉帘布层编织的碳纤 维铜基体化合物的热膨胀。对交叉帘布层样品( 纤维为5 7 v 0 1 ) 来说，在2 5 3 k 到1 0 7 3 k 之间的加热，冷却过程中，平均的热膨胀系数( c t e ) 从大约6 5 1 0 - 6 变化到3 5x1 0 - 6 c 在更高的温度时，编织碳纤维复合材料具有稍微高的热 膨胀系数( c t e ) 。 综上所述，目前在我国自行研制的受电弓滑板在整体强度，抗冲击性，导电 性，自身耐磨性等方面总是不能同时达到铁路运行所需的标准，满足某些性能要 求就会牺牲其它性能，这样总体上仍然存在很多缺陷，特别是在恶劣环境下( 风 沙、粉尘等) 运行时需要更高的要求；目前没有一种特别成熟的材料制备方法； 滑板运行过程中复杂的带电摩擦磨损机理的研究不太成熟。这些都对受电弓滑板 的研制开发产生阻碍作用。因此，本课题在前人研究的基础上研究了一种滑扳的 制备工艺及性能。 本课题来源予中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开 放课题基金，是国家自然基金项目“西部特殊环境下材料损伤与防护研究”，主 要是为研究符合我国铁路环境下运行的受电弓滑板材料提供一定的参考价值。 9 西北工业大学工学硕士学位论文 2 1 研究内容 第二章研究内容和实验方法 本文主要是通过在石墨和碳纤维表面添加润湿性涂层来改善c 与c u 两种 物质的润湿性，用冷压烧结的方法，结合化学镀和电镀的技术，制备出短碳纤维 增强高含碳量的c u - c 复合材料，并对材料的物理性能、力学性能、带电摩擦磨 损性能进行了研究、探索。为制备高性能的受电弓滑板材料提供参考。具体内容 如下： ( 1 ) 分析c u 与c 之间的润湿原理。研究能够改善c u 与c 界面结合性的 涂层工艺。制备能够改善c u 与c 界面结合性的涂层。 ( 2 ) 研究石墨粉和碳纤维表面镀铜工艺，总结出一条切实可靠的石墨粉和 碳纤维表面镀铜工艺。 ( 3 ) 确定成型工艺，设计制造模具，利用冷压烧结的技术制备出不同工艺 参数的碳纤维增强c u - c 复合材料，分析不同制各工艺参数对复合材料微观组织 的影响。 ( 4 ) 研究制各工艺参数对c u - c 复合材料的物理性能、力学性能以及带电 情况下摩擦磨损性能的影响，得到优化的各种工艺参数值。 ( 5 ) 初步探讨材料的带电摩擦磨损机制。 2 2 实验材料 2 2 1 实验用原材料 本实验所用原材料为铜粉、石墨粉和碳纤维。铜粉为上海楷析化工科技有限 公司生产的电解铜粉粉末，化学成分见表2 - 1 ，本试验采用的石墨粉粒度非常小， 图2 1 为激光粒度分析仪做的粒度分析图。由分布图上显示，石墨粉的最大粒径 为7 2 8 1 s i n 。也就是说，石墨粉颗粒最大的也达到了2 5 0 目。试验证明，石墨粉 的粒度越小，表面镀铜的难度就越大1 4 5 t 。碳纤维为吉林炭素厂生产的。 1 0 第二章研究内容和实验方法 表2 - 1 铜粉的化学成分( w t ) t a b 2 1c h e m i c a lc o n s t i t u t i o no f c o p p e rp o w d e r i 硝酸不 s b - s np ba s a g f ep 不被h 2 s 沉淀 c u i 溶物 物质 0 , 0 1o 0 10 0 lo 0 0 0 50 0 0 2o 0 lo o o l0 0 4 9 9 7 图2 1 石墨粉粒度分布图 f i 9 2 1 s i z ed i s t r i b u t i o no f g r a p h i t ep o w d e r 2 2 2 实验材料的成分设计 制备材料的成分如表2 - 2 所示 表2 - 2 滑板成分与含量 t a b 2 - 2 c o m p o n e n t a n dc o n t e n t o f n e w s l i d i n g p l a t e ( ) 然后按照纤维含量、烧结温度、保温时间等工艺参数分别制备试样。 2 2 3 试样的制备 试样尺寸初定为1 0 m i n x l o m m x 5 5 m m 。通过混粉压制后两次烧结得到，即混 西北工业大学工学硕士学位论文 图2 2 模具( a 为总装图1 ：凸模2 ：两半凹模3 ：下模套；b 为模具照片) f j 9 2 - 2t h em o u l d ( a ：g e n e r a la s s e m b l yd r a w i n g ，1 ：m a l em o u l d ，2 ：s e m if e m a l e m o l d ，3 ：l o w e rm o u l ds l e e v e ) b ：m o u l dp h o t o g r a p h ) 翔挂 囊瘩 图2 - 3 模压成形设备示意图 f i 9 2 3e q u i p m e n ts c h e m eo f c o m p r e s s i o nm o u l d i n g 图2 4 高真空液相浸渗装置 f 碴2 - 4l i q u i di n f i l t r a t i o nd e v i c ew i t ht i i g hv u u m 第二章研究内容和实验方法 粉一初压一初烧一复压一复烧工艺制各而成。模具为自行设计的，原理图和实物 图如图2 2 所示，模具材料为c r l 2 m o v ，成形图如图2 3 所示。试样烧结是在本 试验室的高真空液相浸渗装置上进行，装置如图2 - 4 所示。 试样形貌观察、物象分析、性能测试的具体尺寸根据设备要求加工得到。 2 3 试验方案 图2 - 5 试验方案图 f i 蛤- 5e x p e r i m e n t a ls c h e m e 1 3 西北工业大学工学硕士学位论文 2 4 分析测试方法 2 4 1 微观组织的分析方法 材料的金相显微组织的观察主要采用0 l y m p u sp m g 3 型金相显微镜。金相 试样在金相砂纸上粗磨、细磨、抛光，然后在抛光布上再细抛光一次，主要是为 了除去样品表面上粘附的石墨粉。断1 ：3 形貌、磨屑形貌、磨损表面形貌在q u a n t a 2 0 0 型环境扫描电镜。利用l s - p o p 型激光粒度分析仪分析石墨粉粒度；利用x 7 p e r tm p d 型x 一射线衍射仪分析磨屑和材料成分。 2 4 2