受电弓滑板材料研究进展_贺春江.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期117受电弓滑板材料研究进展*贺春江1，陈传志2，何 忠1(1 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081；2 中铁检验认证中心有限公司，北京 100081)摘要：受电弓滑板是中国高铁少数几个未能完全国产化的零部件之一。滑板材料更是其中的关键部件，是受电弓制造的核心技术。近年来，由于检修制度改革，以及高速列车数量快速增长，受电弓滑板材料在现场使用过程中暴露出许多问题。国内众多科研院所和生产企业对滑板材料的研发工作做了巨大投入。该文就受电弓材料配方、工艺、摩擦磨损特性及机理方面的研究的新成果做了总结和回顾，对新方向以及面临的新问题做了分析。期望为受电弓材料的研发提供参考，促进国内滑板材料研究技术升级。关键词：研究进展；受电弓；滑板；材料中图分类号：U 264.3+4；TB 34 Research Progress and Prospect of Pantograph Slider Materials HE Chun-jiang1,CHEN Chuan-zhi2,HE Zhong1(1 Metals and Chemistry Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China;2 China Railway Test&Certifi cation Center Limited,Beijing 100081,China）Abstract:The pantograph skateboard is one of the few components of Chinas high-speed rail that has not been fully localized.Skateboard material is the key component,which is the core technology of pantograph manufacturing.In recent years,due to the reform of maintain system and the rapid growth of the number of high-speed trains,many problems have been exposed in the fi eld use of high-speed trains.Many domestic scientifi c research institutes and production enterprises have made great investment in the research and development of skateboard materials.This paper summarizes and reviews the new progress of the skateboard material formula,process,friction and wear characteristics and mechanism,and analyzes the new direction and the new problems faced.It is expected to provide reference for the research and development of pantograph materials and promote the upgrading of domestic skateboard materials research technology.Key words:research progress and prospect;pantograph;skateboard;materials 受电弓可以连续、稳定地将电流从供电线传导给机车或动车。滑板是受电弓上直接与导线接触的部分1。滑板因在高速、载流和摩擦的环境下使用，要求滑板材料具有优异的导电性能、极低的摩擦系数和良好的抗冲击等物理机械性能。在列车运行速度的不断提升的大趋势下，人们对受电弓滑板材料性能也提出了越来越多的要求，这些都促使国内滑板材料在不断地发展进步。本文就受电工材料研究的新成果进行回顾和总结，对发展中存在的问题做了分析，指出了新的发展方向，期望对受电弓材料的研发工作有借鉴意义。1 我国受电弓应用现状截止 2021 年底，全国铁路拥有电力机车 1.39 万台，动车组 4153 标准组，滑板需求大约 10 万根以上，滑板产值约 3 亿元以上。滑板为 CRCC 认证产品，国内滑板生产厂家有 10 家。从滑板材质上分，以纯碳材质的滑板和以浸金属碳滑板为最多。用粉末冶金制成的滑板由于磨耗较大的缘故，近年来仅有极少数地铁在应用，研究文献也非常少2-3。2 浸金属碳滑板材料从微观结构上看，浸金属碳滑板材料的连续相为碳材料，铜以网状分散在碳材料基体中。它的加工工艺与纯碳滑板非常接近。和纯碳滑板材料相比，浸金属碳滑板材料具有很多优点，例如摩擦系数小、强度高、导电性好。浸金属碳滑板材料的缺点是使用过程中容易出现断裂或掉块现象。2.1 浸金属碳滑板材料工艺研究进展浸金属碳滑板材料的浸金属过程有两种，金属浸渍（将碳粉混合、成形、烧结后浸入溶解金属中）和混合烧结（将碳粉和金属粉混合、成形、烧结后的成型）。国内基本是采用金属浸渍法生产。相关研究集中在温度、压力、特殊处理工序等方面。罗骥等4研究发现，改变烧结温度可以调控材料的致密度，进而可以调控材料的导电性和摩擦性能。为了*基金项目：400km/h 高铁超高强度铜镁合金接触线及受电弓滑板技术研究（中国铁道科学研究院集团有限公司院基金项目，编号 2021YJ220）。作者简介：贺春江，毕业于北京化工大学，材料学专业，研究生，副研究员，研究方向：铁路用橡胶及复合材料的研究与开发。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.048118贺春江 等 受电弓滑板材料研究进展达到最佳致密度，烧结温度应取 950。杨鹏翱5用碳/碳多孔体为原料制备出碳铜复合材料。该碳铜复合材料经过高温热处理后，磨损率降低了 17%以上。其机理是热处理过后，材料中石墨含量明显提高，石墨片在外力作用下会形成细小的石墨碎片。这些碎片起到润滑作用，可以显著降低电弧烧蚀、磨粒磨损。袁华6对滑板先进行碳化，再进行液相浸渍。这种热处理工艺可以使滑板更加密实，滑板的气孔率和磨耗量均能降低约一半。Ma 等 7采用压力渗透法制备了新型受电弓滑块铝/烧结碳（Al/SC）复合材料，该方法制备的 Al/SC 复合材料表现出优异的机械强度，其最高抗压强度值为 304.28MPa。Wang 等8采用化学气相沉积技术制备了热解碳涂层铜泡沫/碳复合材料，加入热解碳层提高界面润湿性后，复合材料中泡沫铜与树脂碳基体具有良好的界面组合。随着热解碳厚度的增加，复合材料的导电性和耐磨性均有稳步增加的趋势，但摩擦系数无明显变化。目前，欧洲和日本在浸金属碳滑板材料领域处于领先地位。和这些先进国家相比，国内差距主要在滑板材料的加工工艺方面。欧洲和日本金属浸渍法用的较多，且是采用真空浸金属工艺，浸金属率以及均匀度显著高于国内的在大气气氛下浸金属工艺。国内目前只有陈飞雄做了真空浸金属工艺这方面研究。陈飞雄等9研究对比了受电弓的碳条材料的加工工艺。研究发现，真空下浸铜工艺可使得碳条的浸铜率大幅度提高。该方法比大气气氛条件浸铜率提高 40%以上，同时，电阻率下降大约 50%左右。2.2 浸金属碳滑板材料配方的研究浸金属碳滑板材料主要成份是碳，多选用铜、石墨、锡等元素。滑板材料配方的研究多集中在铜、石墨等的含量对滑板性能的影响。马帅10研究发现，石墨含量显著影响浸铜碳滑板材料的物性。当石墨含量 5%时，冲击韧性、抗折强度都达到最高值。这是因为，有石墨存在情况下，石墨在摩擦过程中易形成薄膜，这层薄膜有助于减小摩擦磨损。鄢鹏等11制造滑板过程中在碳材料里使用了造孔剂和耐磨剂，制备出性能优异的浸渍铜合金的炭/铜复合材料，测试结果表明，该材料突出优点是不同方向上电阻率非常接近，同时它还具有较高的抗折强度，抗折强度可达88MPa。许岩等12研究发现，铜含量显著影响浸金属碳滑板材料的磨耗量。在 1%51%含量范围内，随着铜含量增加，磨耗量逐渐增大，黏着磨损现象越显著，铜含量取 27.8%时综合性能最佳。Li 等 13研究了不同铜纤维含量的铜纤维增强针焦/碳复合材料（CF-NC/C）。结果表明，具有高长径比、高强度和高导电率的针状焦的存在可以大大改善纯碳基体的物理性能。当铜纤维用量达 5%时，CF-NC/C 复合材料具有优异的力学性能、载流摩擦磨损性能。Wei 等 14先采用三氧化二铁对碳材料进行活化改性，从而成功地提高了金属与碳基质之间的润湿性，有效地优化了界面性能，提高了浸渍碳带的机械性能和电性能。2.3 烧蚀和磨损研究受电弓滑板材料的电弧烧蚀和磨损是滑板失效的主要原因，有关烧蚀、磨损现象规律及机理探究，一直是人们研究和关注的热点。周悦15系统研究了电弧温度对受电弓滑板材料中金属组分分布的影响规律。电弧烧蚀下，滑板材料表面温度呈梯度分布，高温促使铜发生了熔化、渗出，进而被氧化，这导致碳材料中氧化铜的浓度在滑板材料中呈有规律的分布。姜国强16研究发现浸铜碳滑板与铜基粉末冶金滑板在大电流下对铜锡合金导线的磨损机理相同。电弧侵蚀下，粘着磨损和磨粒磨损机制同时并存。两者相比，铜基粉末冶金滑板的磨损性较差。Wu 等17研究发现，因电弧侵蚀，氧化铜膜的形成和电弧温度有关，弧蚀坑的直径和电弧时间有关，铜的存在形式和分布显著影响弧蚀坑的分布位置；球形铜颗粒，会显著增加条带状材料的磨损率。段绪伟等18研究发现，电弧特性显著影响滑板的磨耗。电弧放电时间越长，电量越大，滑板被烧蚀的程度越大。被烧蚀后，滑板表面明显可见电弧烧蚀后硫化的坑和裂纹，坑和裂纹的尺寸大小与电弧能量成正相关。3 纯碳材料纯碳材料包括石墨基材料、碳纤维增强的复合材料以及 MCC 材料。MCC 材料是添加 Ti3SiC2 的碳基复合材料，因磨耗量过大，最终未能大面积推广应用。石墨基碳材料以沥青焦等原料经过多道复杂的工序烧结制成。石墨基碳材料滑板优点是对导线磨耗较小，导线使用寿命较长；缺点是强度较低，常出现掉块和断裂现象。碳纤维增强复合材料，内部采用短切碳纤维或者连续长碳纤维增强，优点是导电性优异、耐磨性和韧性非常高，缺点是成本较高、加工工序繁杂。以上三种滑板材料，以石墨基碳材料滑板应用的较广。近 10 年文献中，碳纤维增强复合材料报道的较多，其他两种未见文献报道。3.1 碳纤维基滑板材料工艺研究进展纤维表面处理技术和材料内部结构控制近来一直是碳纤维基滑板材料研究的重点。黄显峰19研究了盐浓度、电镀电流和电镀时间等工艺参数对碳纤维增强铜基复合材料结构和性能的影响，并制备出表面铜镀层均匀的碳纤维。从微观结构上看，铜颗粒尺寸大多在纳米和亚微米范围内。利用该纤维制成的复合材料烧结致密，界面结合良好。Wang 等20采用化学气相沉积和浸渍/碳化技术制备了碳纤维增强铜/碳复合材料。结果表明，在冲击和载流摩擦试验中，碳纤维不仅能承受失效能和阻塞裂纹增长，而且提高了机械强度和耐磨性。Wang 等21用碳纤维和薄片石墨的树脂混合物浸渍铜泡沫，采用模具热压工艺，制备了一种新型铜网改性碳纤维增强聚合物复合材料受电弓带。研究表明，添加碳纤维可显著提高冲击强度和耐磨性；片状石墨从 0%增加到 15%，电阻和摩擦系数逐渐降低。王继庆22发明了化学镀铜新工艺，制备了界面结合较为牢固的表面镀铜的碳纤维。采用这种纤维制备出新型滑板材料，其摩擦系数、电阻率、冲击韧性都接近日本和合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期119德国滑板材料的水平。徐立新23通过优化热压成型工