Cu/Ti3SiC2受电弓滑板的应用研究进展

作为电力机车上的重要电接触零件，受电弓滑板受到越来越多的重视。本文对Cu/Ti3SiC2复合材料滑板的研究进展进行分析，根据接触网与受电弓滑板的模型论述载流作用下Cu/Ti3SiC2受电弓滑板的磨损机理，并分析了受电弓滑板与接触电网间的作用规律。

【关键词】受电弓滑板 复合材料 Ti3SiC2 磨损机理

受电弓滑板是电力机车从接触网获取电力的元件，通过滑板与接触网导线接触，在静止或滑动状态下获取电，一般传导电流为100～400 A，电压为25 kV。作为电力机车上极其重要的传导电零件，受电弓滑板的质量对电力机车受流与运行状况有着重要影响。由于受电弓滑板裸露在自然环境中工作，并且在运行中与接触网导线不断产生电弧烧蚀与机械冲击，所以受电弓滑板与接触网导线的关系构成一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，因此对选用材料的综合性能有严格的要求，滑板材料除了具备良好的导电性、耐冲击性以外，还需拥有减摩耐磨性、高机械强度、对自然环境强的适应性等。

钛硅碳（Ti3SiC2）是一种六方晶系的三元层状结构材料，熔点超过3000℃，因钛硅碳特殊的纳米层状结构使其具备良好的自润滑性能，优越的机械性能，并且具有较好的导热性和导电性，对热冲击不敏感，高温下有着良好的塑性变形能力。国内外的科研人员充分利用Ti3SiC2的优良特性，采用多样的制备工艺与制备手段将其与不同材料进行复合，从而制备出符合各种工况的复合材料。因此，将钛硅碳引入到受电弓滑板成为当前的研究热点，在基体中掺杂Ti3SiC2可以起到良好的润滑和弥散强化作用，使得受电弓复合材料具备更佳的力学性能。

1 当前研究进展

随着电力机车的发展提速，受电弓滑板的发展与研究呈现出多样性，滑板类型包括纯金属滑板、粉末冶金铜基滑板和铁基滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板以及复合材料滑板等。纯金属滑板和铁基滑板因对接触导线磨损严重而较少使用，纯碳滑板抗冲击性较差，表面容易形成缺损和凹坑，目前高铁使用较多的是浸金属碳滑板，且依靠从国外进口，这类滑板存在抗冲击力不足，价格过高，维护成本高等缺点，大多数浸金属碳滑板运行距离在10万公里左右。为了进一步提高滑板的耐冲击性和耐磨损性能，新型复合材料滑板收到研究人员的关注。铜基复合材料由于基体优越的导电性，良好的延展性而受到广泛关注。Ti3SiC2因其独特的三元层状结构被研究者所重视，现今Cu/Ti3SiC2受电弓滑板的研究主要集中在Ti3SiC2与基体材料间的界面结合状态、界面组织、润湿角等。

刘军等研制了一种具有减摩耐高温和导电性能优良的耐热铜基受电弓滑板材料，其磨损量与电阻率均低于同类复合材料的电阻率。高闰丰等选用具有高导电、高导热性的陶瓷Ti3SiC2作为弥散强化相，通过与Cu混合，采用热压和无压烧结后制备成Cu/Ti3SiC2复合材料，主要分析了掺杂含量、烧结制度和保温时间对复合材料电阻率、相对密度和硬度的影响。研究发现，增加Ti3SiC2掺杂含量和延长保温时间，均会使材料致密度降低，电阻率增加。Azevedo等研究发现经摩擦磨损试验后的滑板材料存在着严重的材料剥落、烧蚀和氧化，出现大量磨屑，部分磨屑有较明显的被电弧烧蚀熔化的痕迹。谭文昌采用化学镀、复压复烧、SPS以及高速冲压等多种加工手段制备Cu/Ti3SiC2电接触材料，目的是增强 Ti3SiC2颗粒与铜的接触，降低界面间的接触角，提高润湿性，进一步提高制备样品的致密度和导电性能。王占永为了改善Ti3SiC2与Cu的界面结合状况，首先对纯Ti3SiC2粉体进行了化学镀铜处理，然后在前期制备工艺研究的基础上，进一步优化复合材料烧结保温时间，并对比了镀铜粉体与未镀铜粉体制成复合材料后性能的差异。

2 载流磨损机理分析

由于受电弓滑板是在受流状态下运行的，其磨损机理区别于一般的摩擦磨损，因此分析滑板运行过程中的表面磨损状态及磨损表面的结构演变显得至关重要。熊贤至等分析了受电弓滑板载流磨损行为及其磨损面微结构的研究进展，提出探究磨损面精细结构的演变是掌握摩擦副的磨损机理和调控其磨损行为的关键。

总体来说，运行过程中受电弓滑板与接触导线紧密接触，受电弓滑板磨损的形式包括机械磨损、电气磨损和粘着磨损。

2.1 机械磨损

由于运行中滑板与接触导线保持接触，机械磨损是由二者间产生的摩擦或者冲击引起的。机械磨损过程中摩擦副之间发生相互作用使得磨损表面发生物质的交换，为了保护和延长铜接触导线的寿命，要求受电弓滑板的硬度要低于接触导线，并能起到很好的润滑；另外一个重要因素就是Cu/Ti3SiC2受电弓滑板的组织结构，在高速行驶中，随着电力机车的持续运行滑板的表面存在着磨损颗粒， 保持在滑板表面的颗粒会加剧磨粒磨损，如何降低机械磨损的影响成为关键。

2.2 电气磨损

受电弓滑板与接触电网之间的摩擦是在电流的作用下摩擦磨损行为，运行中滑板与接触导线时而接触时而离线，从而在接触导线与滑板之间产生电弧。由离线所产生的电弧会导致高温，滑板摩擦面上的温度可达250～ 600℃，电弧的高温使得受电弓滑板与接触导线中熔点低的元素发生熔化和蒸发，从而在滑板中形成相应的气孔以及圆形颗粒，并且在接触表面也会产生电蚀凹坑和表面氧化膜。

同时，电气磨损量受到电流密度、电流方向、接触时间及离线频率等因素影响， 所以滑板的最大磨损量一般在离线、导线与滑板接触等处发生；另外，导线及滑板的缺陷处也往往是电气磨损严重的部位。

2.3 粘着磨损

在电力机车运行时，受电弓滑板与接触导线间进行相对滑动，并且随着高铁的提速相对运行速度越来越快，达到30～80m/s；当滑板的切向应力超过材料的屈服强度时而形成粘着结点，就很容易形成粘着磨损。粘着磨损会使得滑板表面的粘合点剪切断裂并形成凹坑，脱落成磨屑，磨屑可能由滑板表面迁移至接触导线上，这样会加大磨损。

粘着磨损发生的倾向性很强，并在磨损中占有很大的比重，所以提高滑板的抗粘着性能和机械强度是降低滑板磨损的一种重要方法。

受电弓滑板不但是一种电接触材料， 同时也是一种耐磨减摩材料；既要有良好的导电性和集电能力， 又要具备适中的综合机械性能；所研制的滑板材料既要与弓网系统相匹配，又要研究接触网导线， 滑板的材料、形状、尺寸应适应高速的要求， 以保证具有良好的接触状态和更高的耐磨性能。如何有效降低滑板与接触导线的磨损，并保证受电弓滑板快速有效地运行成为当前研究的热点，研究焦点主要集中于提高滑板的内部组织结构，改善滑板的组成元素配比，增强各元素彼此间的结合，考虑采用新型材质滑板代替旧式滑板，保证列车安全运行并提高列车运行效率。

3 磨损控制手段

通过摩擦磨损分析，认为材料磨损表面所产生的热主要来源于以下三部分：

Q=Qf+Qr+Qa （1）

其中，Qf为机械摩擦产生的热；Qr为载流下接触电阻产生的热；Qa为微电弧烧蚀产生的热。特别在Qa作用下，使得接触区域的温度急剧升高，而使材料发生熔融、烧蚀甚至分解。

分析认为，电接触材料的磨损率与各组元所占比重有着很大的关系，就Cu/Ti3SiC2而言，将Ti3SiC2的份额控制在优化状态，保证复合材料良好的界面结合，因为复合材料的界面是材料中最薄弱的部分，Cu与Ti3SiC2两相之间的结合有物理结合与化学结合，决定Cu/Ti3SiC2复合材料界面接触强度大小取决于Cu与Ti3SiC2金属键，与铜自身的强度无关。

4 结束语

当前的主要研究集中在载流作用下受电弓滑板与接触电网之间的作用，保证接触电网与受电弓滑板间的正常运行与摩擦的稳定，降低受电弓滑板的磨耗，延长铜接触电网的使用寿命。Cu/Ti3SiC2制备工艺与制备手段的多样性能够衍生出不同比例、不同状态的受电弓滑板，控制好两种材料的配比，优化滑板的界面状态，制造出适应高速运动要求的材料。受电弓滑板的制备工艺、组成结构是影响磨损状态的最主要，要综合考虑到以上因素，充分发挥各类材料的特性，提高导电率，提高受电弓的动态载流性能。

参考文献

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[2]Yang Jian，Pall Limei，Gu Wei，et al.Microstructure and mechanical properties of in-situ synthesized （TiB2+TiC） Ti3SiC2 composites[J].Ceramics International，2012，38：649-655.

[3]Lin Tienchai，Hon Minhsiung.Synthesis and microstructure of the Ti3SiC2 in SiC matrix grown by chemical Vapor deposition[J].Ceramics international，2008，34：63l-638.

作者简介

符学龙（1980-），男，博士学位。现为江苏财经职业技术学院机械与电子工程系讲师。研究方向为金属基复合材料的性能研究。

作者单位

1.江苏财经职业技术学院机械与电子工程系 江苏省淮安市 223003

2.南京航空航天大学 材料科学与工程学院 江苏省南京市 211100