載流摩擦的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)*

張永振 楊正海 上官寶

①③教授，河南科技大學(xué)摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023；②博士研究生，機(jī)械科學(xué)研究總院武漢材料保護(hù)研究所，武漢 430030

載流摩擦的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)*

張永振①楊正海②上官寶③

①③教授，河南科技大學(xué)摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023；②博士研究生，機(jī)械科學(xué)研究總院武漢材料保護(hù)研究所，武漢 430030

載流；電??；磨損；接觸

載流摩擦問題是包含導(dǎo)電和摩擦磨損兩個(gè)系統(tǒng)的多學(xué)科交叉問題，且兩系統(tǒng)存在強(qiáng)烈的性能耦合和損傷耦合，伴生電弧是其最顯著的特點(diǎn)。作者還介紹了載流摩擦的研究現(xiàn)狀，并展望了其未來的研究重點(diǎn)。

兩個(gè)金屬表面相互接觸后，就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電、導(dǎo)熱等能量傳導(dǎo)功能，其能量傳輸過程中的相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題稱為電接觸。但如果這兩個(gè)金屬表面出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一系列摩擦現(xiàn)象就會(huì)對(duì)能量傳導(dǎo)行為產(chǎn)生復(fù)雜的耦合影響，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的導(dǎo)電行為或者在導(dǎo)電狀態(tài)下的摩擦行為被稱為載流摩擦。

載流摩擦屬于電接觸學(xué)與摩擦學(xué)的交叉學(xué)科。長期以來，載流摩擦在電接觸學(xué)與摩擦學(xué)兩個(gè)學(xué)科雖有所涉及，但缺乏系統(tǒng)深入的研究。近年來，技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)載流摩擦理論與技術(shù)研究提出了迫切的需求，突出表現(xiàn)在：從電接觸角度出發(fā)，能量傳輸密度大幅度提高，導(dǎo)致電接觸的服役條件急劇惡化。鐵路運(yùn)行速度的不斷提升要求電力機(jī)車弓網(wǎng)系統(tǒng)電流從原來的150 A提升到500～800 A，接觸電流密度提高了4倍以上(圖1)；高壓輸變電技術(shù)的快速發(fā)展要求高壓開關(guān)的斷開電壓從10 kV提升到1000 kV以上(表1)，因此，高壓、大電流成為載流摩擦副必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。從摩擦學(xué)角度出發(fā)，接觸壓力與摩擦速度的大幅度提升導(dǎo)致摩擦條件的苛刻化。高鐵弓網(wǎng)除接觸壓力提高外，摩擦速度從20 m/s左右提升到100 m/s。對(duì)于干摩擦，摩擦熱與速度及接觸壓力呈冪函數(shù)關(guān)系，因此，幾十倍摩擦熱的增加導(dǎo)致的高溫會(huì)帶來一系列復(fù)雜的技術(shù)問題。從可靠性的角度出發(fā)，可靠性要求的迅速提升對(duì)載流摩擦技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對(duì)于航天、航空等領(lǐng)域，大量接觸器觸頭的導(dǎo)電接觸可靠性要求極高，有些甚至不允許出現(xiàn)接觸不良；對(duì)于電力行業(yè)，供電網(wǎng)絡(luò)從局部區(qū)域向大區(qū)域、甚至全國統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)發(fā)展后，局部高壓開關(guān)故障將可能導(dǎo)致大范圍電網(wǎng)的癱瘓。

表1 中國高壓輸電電壓等級(jí)

綜上所述，摩擦學(xué)、導(dǎo)電條件的顯著苛刻化與高可靠性要求的挑戰(zhàn)對(duì)于載流摩擦理論與技術(shù)研究提出了迫切的要求。為此，近年來，世界各國學(xué)者從不同的角度開始了載流摩擦的系統(tǒng)研究工作。

1 載流摩擦的基本現(xiàn)象

1.1 載流摩擦的接觸

理論上分析，任何光滑的表面在一定的尺度下都是粗糙不平的，因此，無論對(duì)于摩擦接觸，還是導(dǎo)電接觸，粗糙接觸意味著真實(shí)接觸面積遠(yuǎn)小于名義接觸面積。一般認(rèn)為，真實(shí)接觸面積僅為名義接觸面積的1%左右。在粗糙表面接觸條件下，兩個(gè)表面之間接觸行為實(shí)際上是兩個(gè)表面上無數(shù)個(gè)凸出峰接觸的綜合效應(yīng)(圖2)。

對(duì)于摩擦接觸，在一定的接觸壓力下，占名義面積1%左右的凸出峰承擔(dān)了所有的接觸壓力(這些凸出峰接觸形成的斑點(diǎn)稱為接觸斑點(diǎn))，因此，真實(shí)接觸處的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)高于名義接觸應(yīng)力。對(duì)于導(dǎo)電接觸，占名義面積1%左右的凸出峰承擔(dān)了所有電流傳導(dǎo)的功能(實(shí)際為破壞了表面不導(dǎo)電層的接觸斑點(diǎn)承擔(dān)電流傳導(dǎo)的功能，這些斑點(diǎn)稱為α斑點(diǎn))，因此，真實(shí)接觸處的電流密度遠(yuǎn)高于名義電流密度(形成的電阻稱為收縮電阻)。

圖2 粗糙表面接觸示意圖

另一方面，無論是摩擦過程還是導(dǎo)電過程，在接觸處都會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱與接觸電阻熱，這些熱量在表面上不是均布，而是在凸出峰處出現(xiàn)熱量集中，表現(xiàn)為凸出峰處的溫度遠(yuǎn)高于各義接觸面上的非接觸區(qū)。因此凸出峰接觸區(qū)負(fù)荷集中效應(yīng)是載流接觸的突出特點(diǎn)，這種效應(yīng)是應(yīng)力集中、電流密度集中及熱集中的耦合作用。

1.2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的接觸特性

對(duì)于相對(duì)滑動(dòng)的載流摩擦副接觸表面，接觸斑點(diǎn)由于溫升和壓力的作用，容易產(chǎn)生黏著，具有很強(qiáng)的黏著力，隨后在摩擦力作用下，這些黏著結(jié)點(diǎn)被剪切而產(chǎn)生滑動(dòng)。摩擦就是黏著結(jié)點(diǎn)的形成和剪切交替發(fā)生的過程(圖3為摩擦后的表面)。經(jīng)典摩擦黏著理論將單個(gè)接觸峰的黏著進(jìn)行簡(jiǎn)化，硬表面的粗糙峰看成半圓柱體，軟金屬看成平面，則接觸斑點(diǎn)可以看成如圖4所示的模型。粗糙峰在法向載荷作用下嵌入軟表面中，接觸面積由兩部分組成：一為圓柱面，它是發(fā)生黏著效應(yīng)的面積，滑動(dòng)時(shí)發(fā)生剪切；另一為端面，這是犁溝效應(yīng)作用的面積，滑動(dòng)時(shí)硬峰推擠軟材料[1]。

載流摩擦副的電接觸問題中最常見的是接觸電阻，其對(duì)摩擦副的影響主要是接觸電阻熱造成的溫升和其對(duì)接觸點(diǎn)焊合的影響。但是，當(dāng)兩個(gè)接觸表面之間存在快速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸出峰接觸的數(shù)量及空間分布都處于隨機(jī)變化之中，這種隨機(jī)變化導(dǎo)致摩擦表面上出現(xiàn)不均勻的電流密度分布；而且，由于摩擦熱與電阻熱的作用，在摩擦表面上將形成一層氧化物，這些氧化物與表面磨損產(chǎn)物共同形成了一層導(dǎo)電能力極不均勻的表面層，其結(jié)果有可能使得表面局部區(qū)域的接觸電阻大幅度提高，表面溫度繼續(xù)提高，這時(shí)，便具備了電弧產(chǎn)生的條件。因此，對(duì)于運(yùn)動(dòng)接觸導(dǎo)電，伴生電弧是載流摩擦最顯著的特點(diǎn)。

圖3 Cu材料載流摩擦磨損行為[2]：(a)犁溝；(b)黏著；(c)氧化與黏著

圖4 單峰黏著理論模型

1.3 伴生電弧及其影響

電弧是一種陰極位降低、電流密度大的自持性氣體放電現(xiàn)象。在電場(chǎng)作用下，氣體被電離形成等離子體，電子和離子在電場(chǎng)作用下加速，與等離子體中的其他粒子或電極發(fā)生碰撞，從而使各種粒子的振蕩運(yùn)動(dòng)急劇加強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為電弧在極短的時(shí)間內(nèi)溫度急劇升高(可達(dá)4000～10 000 K)，電極在粒子的沖擊下，溫度急劇升高，材料發(fā)生熔化、蒸發(fā)等侵蝕現(xiàn)象。同時(shí)，電弧弧柱發(fā)出弧光。

伴生電弧(以下簡(jiǎn)稱電弧)的引發(fā)要求兩接觸點(diǎn)間的電勢(shì)超過最低起弧電壓，電路中的有效電流超過最低起弧電流(最低起弧電壓和最低起弧電流的值隨其他條件變化)。在兩電極分開的過程中，由于電極先接觸后拉開，因短路發(fā)熱，使陰極表面溫度陡增，產(chǎn)生熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射使碰撞電離及陰極的二次電子發(fā)射急劇增加，從而使兩極間的氣體電離形成等離子體，形成自持性的電弧放電。兩電極閉合的過程中，兩電極間的壓降逐漸增大，當(dāng)極間壓降足夠大時(shí)，極間氣體被電離形成等離子體，形成自持性的電弧放電。當(dāng)向等離子體中輸入的能量不足以維持電弧放電時(shí)，等離子體逐漸湮滅，電弧熄滅。當(dāng)載流摩擦副運(yùn)行過程中配副零件產(chǎn)生分離及其隨后的閉合過程中，可能產(chǎn)生電弧。圖5 是弓網(wǎng)電弧及其模擬試驗(yàn)中的電弧。

電弧放電使載流摩擦副傳輸?shù)哪芰坎环€(wěn)不足(圖6所示為電弧放電造成電流波動(dòng))，在電路中引起過電壓現(xiàn)象，降低載流質(zhì)量。電弧放電直接造成蒸發(fā)、氣化、熔融和噴濺等材料損傷(圖7)，電弧產(chǎn)生大量的熱量，造成材料的材料性能衰退。電弧放電還產(chǎn)生無線電干擾雜波。

載流摩擦中的電弧具有隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性。配副零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中由于運(yùn)動(dòng)不平順、受迫震動(dòng)、沖擊等使得配副零件容易產(chǎn)生短時(shí)間隙，摩擦副所傳遞的能量密度很大，配副中間很可能產(chǎn)生電弧，在這種環(huán)境下產(chǎn)生的電弧是動(dòng)態(tài)的、隨機(jī)的、大小不一的，其影響也是動(dòng)態(tài)的和隨機(jī)的。載流摩擦中電弧的影響測(cè)量困難。電弧對(duì)載流摩擦的影響與其他影響相互耦合，難以具體區(qū)分；同時(shí)，電弧產(chǎn)生在相對(duì)滑動(dòng)的配副兩零件之間狹窄縫隙中，等離子體診斷常用的光譜法、能譜法難以直接運(yùn)用，而且，這些指標(biāo)能否表征電弧對(duì)高速大電流密度載流摩擦的影響也有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上所述，載流摩擦問題是一個(gè)多學(xué)科交叉的問題，包含導(dǎo)電和摩擦磨損兩個(gè)系統(tǒng)，且兩系統(tǒng)存在強(qiáng)烈的性能耦合和損傷耦合(圖8)。載流摩擦副的電接觸和摩擦接觸是通過粗糙表面的接觸斑點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，而這些斑點(diǎn)存在負(fù)荷集中效應(yīng)，所以，電性能和摩擦磨損性能是相互耦合的。材料的損傷也是相互耦合的，表現(xiàn)為：磨損和電弧造成的材料直接損傷相互耦合作用，而且，電弧熱和電阻熱改變了材料的性質(zhì)，使得磨損形式發(fā)生變化。從圖9可見，疲勞磨損基本不出現(xiàn)，材料次表層塑性變形很大。

圖5 運(yùn)行中的電弧和實(shí)驗(yàn)中的電?。?a)弓網(wǎng)電?。?b)試驗(yàn)裝置；(c)～(f)電弧的不同階段

圖6 電弧放電可能造成電流波動(dòng)[2]

圖7 電弧放電造成材料的熔融、噴濺、蒸發(fā)和氣化[3]

2 載流摩擦的研究進(jìn)展

2.1 評(píng)價(jià)體系研究

載流摩擦特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括摩擦磨損性能和電性能兩個(gè)部分。摩擦磨損性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)是摩擦系數(shù)和磨損率，常采用某一過程的平均值來進(jìn)行評(píng)價(jià)。電性能的評(píng)價(jià)沒有公認(rèn)的指標(biāo)，目前使用的主要有電流和接觸電阻等，由于載流摩擦過程的劇烈波動(dòng)，常常采用其統(tǒng)計(jì)量或者統(tǒng)計(jì)量的變化量來描述。載流摩擦過程的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)引起了研究者的注意，但目前少見相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖8 載流摩擦系統(tǒng)圖[2]

圖9 軋制銅銷載流磨損的塑形變形層[2]：(a)剖面位置；(b)原始組織；(c)無電流剖面；(d)40A剖面

目前的載流摩擦評(píng)價(jià)設(shè)備多為自行研制設(shè)備，加載和運(yùn)動(dòng)方式也多種多樣，但根據(jù)試樣接觸形式，試驗(yàn)機(jī)可分為：銷-盤式試驗(yàn)機(jī)[3](圖10(a))、銷-環(huán)式試驗(yàn)機(jī)[4](圖10(b))、環(huán)-塊式試驗(yàn)機(jī)[5](圖10(c))和線-滑塊式試驗(yàn)機(jī)[6](圖10(d))。試驗(yàn)機(jī)加載方式有砝碼加載、彈簧加載[3,7]等，所加電流可分為交流和直流兩類。電摩擦中電弧表征方法包括照相法(普通相機(jī)和高速攝像機(jī)照相)、光敏元件測(cè)光法、電弧能量法等。

2.2 摩擦學(xué)條件與載流條件對(duì)載流摩擦的影響

載流摩擦副服役條件中的電因素，主要包括電流大小、交流電或直流電、電流的極性、配副電接觸的接觸電阻、配副電接觸的電壓降等。電流是影響載流摩擦磨損的重要因素。有電流時(shí)材料的摩擦系數(shù)較無電流時(shí)有較大變化，有電流時(shí)材料的磨損率大于無電流時(shí)的情況，且隨著電流的增加，材料的磨損量增加，摩擦副的載流質(zhì)量和載流穩(wěn)定性均變差[3,8-9]。其主要原因是電流導(dǎo)致導(dǎo)電斑點(diǎn)的溫升增大，電弧出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度增加，加速了接觸表面的氧化，甚至提前了摩擦副由輕微磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變[10]。文獻(xiàn)[11-12]指出，磨損率隨電流強(qiáng)度增大而增加，電磨損與極性有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，正刷的磨損量略大于負(fù)刷的磨損量。Lavielle[13]的研究指出，改變外加電場(chǎng)可以改變摩擦系數(shù)，最大可使摩擦系數(shù)改變25%。W istuba[14]的研究結(jié)果表明，在滑動(dòng)過程中，外加電場(chǎng)的極性對(duì)觸頭的摩擦力有顯著影響，陽極電場(chǎng)使摩擦力下降。

速度對(duì)載流摩擦有較大影響。隨速度增加，磨損增大，載流質(zhì)量變差[3]。隨著速度的提高，滑動(dòng)載流摩擦副的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)更加不平順，跳動(dòng)、沖擊等現(xiàn)象更加劇烈，直接導(dǎo)致更加容易發(fā)生電弧放電。同時(shí)，摩擦熱急劇增大，表面溫度迅速升高，摩擦副的摩擦磨損性能降低，引起摩擦表面狀況惡化。文獻(xiàn)[15]指出，當(dāng)速度超過一定值時(shí)，摩擦副微凸峰相互接觸的時(shí)間由于摩擦速度加快而縮短，使原子較難由一方向另一方擴(kuò)散，黏結(jié)作用減弱，磨損量出現(xiàn)減少。

圖10 典型的載流摩擦磨損試驗(yàn)裝置：(a)銷盤式；(b)銷環(huán)式；(c)環(huán)塊式；(d)線塊式

載荷對(duì)載流摩擦有重要影響。從磨損的角度看，存在最優(yōu)載荷值；從載流質(zhì)量看，載荷越大，載流質(zhì)量越好。載荷的大小決定了載流摩擦副的接觸狀態(tài)，決定摩擦副機(jī)械接觸斑點(diǎn)和α斑點(diǎn)數(shù)量。從機(jī)械磨損的角度看，接觸力越小，磨損率越?。粡碾娊佑|角度看，載荷越小，α斑點(diǎn)越少，電接觸狀態(tài)越差，載流質(zhì)量越差；從電弧放電的角度看，載荷越小，出現(xiàn)電弧放電的可能性越大，電弧放電導(dǎo)致電弧侵蝕變大。綜合作用結(jié)果顯示，載流摩擦副在滿足一定載流質(zhì)量要求下，可以找到一磨損率最低的最佳載荷值。Yasar等[7]的研究結(jié)果表明，摩擦因數(shù)和磨損率隨載荷的增加均呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢(shì)，其磨損分為3個(gè)階段：壓力為30～50 kPa為低磨損階段，50～120 kPa為中度磨損階段，小于30 kPa和大于120 kPa為嚴(yán)重磨損階段。鳳儀等[16]的研究結(jié)果表明：碳納米管-銀-石墨復(fù)合材料載流摩擦磨損條件下的磨損體積與壓力成U型變化。Zhao等[4]的研究表明石墨銷-鋼盤摩擦副存在一個(gè)理想接觸壓力值。

2.3 電弧對(duì)載流摩擦的影響

電弧放電對(duì)載流質(zhì)量有重大影響。載流摩擦副產(chǎn)生電弧過程中，導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)量不足甚至沒有，等離子體提供了電流導(dǎo)通的通道；電弧放電也造成回路電流波形異常，回路過電壓，同時(shí)，還產(chǎn)生電磁噪聲；而且，電弧放電造成損傷后也將反饋到其后的電接觸中，惡化載流質(zhì)量。

電弧放電嚴(yán)重危害載流摩擦副的摩擦磨損性能。電弧放電的過程也是等離子體中的正、負(fù)離子和電子對(duì)電極撞擊的過程，同時(shí)釋放大量熱量，直接造成材料熔融、噴濺、蒸發(fā)和氣化，加劇材料的氧化，形成材料的電氣損傷。電弧放電造成的材料損傷破壞了摩擦副運(yùn)行形成的最佳表面，惡化摩擦副的平穩(wěn)運(yùn)行過程，同時(shí)，大量釋放的熱量改變了材料的性能，影響摩擦副的機(jī)械磨損過程，繼而進(jìn)一步加劇材料的損傷。文獻(xiàn)[17-19]認(rèn)為弓網(wǎng)電弧過程中，電弧的物理冶金過程主要為加熱(軟化)—相變(熔化、氣化)—損耗—凝固等幾個(gè)過程，也可以看作是電弧侵蝕的三個(gè)階段：金屬離子階段、蒸汽階段和液體轉(zhuǎn)移階段。有研究提出電弧能量的概念[20]，認(rèn)為電弧的侵蝕效果與電弧持續(xù)時(shí)長和強(qiáng)度之積有關(guān)，單個(gè)電弧的能量等于發(fā)生電弧時(shí)電流和電壓乘積對(duì)時(shí)長的積分。Kubo和Kato[21]認(rèn)為電弧能量和電弧侵蝕量兩者之間存在冪函數(shù)關(guān)系。王其平[22]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出電弧侵蝕量與電流和電弧燃弧時(shí)間之積成正比。

2.4 磨損機(jī)理

載流摩擦材料的磨損方式有機(jī)械磨損、電氣磨損、化學(xué)磨損以及它們之間的耦合作用。機(jī)械磨損的主要形式包括塑性變形、犁溝、黏著等現(xiàn)象；電氣磨損的主要形式包括熔融、噴濺、氣化和蒸發(fā)等；化學(xué)磨損一般情況下主要是氧化造成的，在腐蝕環(huán)境下也包括化學(xué)腐蝕。材料的磨損機(jī)理與材料性質(zhì)密切相關(guān)，如同為電氣磨損，對(duì)于純銅，熔融和噴濺比較顯著，而對(duì)于C/C復(fù)合材料則是蒸發(fā)和氣化比較顯著。載流摩擦過程中磨損機(jī)制不同時(shí)全部出現(xiàn)，而是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果[23]。

2.5 載流摩擦材料研究進(jìn)展

載流摩擦副材料的選擇依據(jù)主要是摩擦表面的壓力、滑動(dòng)速度和工作溫度等服役條件，其主要技術(shù)要求有：良好的機(jī)械性能，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，抗熔焊性，耐電磨損性，接觸電阻，良好的加工制造性能，良好的耐蝕性能、減摩耐磨性能和潤滑性能等[24-25]。由于載流摩擦副使用范圍廣，工況差別大，且各材料在不同使役條件下的最優(yōu)配副情況也不相同，所以，材料種類較多。觸頭材料主要有銀基、銅基兩大類，按合金系的分類包括：銅鎢、銀氧化鎘、銀鎢、銀鎳、銀石墨、銅鉻等系列。目前廣泛使用的接觸線材料主要有銅、銅合金、鋼鋁復(fù)合、鋼銅復(fù)合等。銅合金型接觸線材料主要有銀銅合金、錫銅合金、銅鉻鋯合金、銅鎘合金、鎂銅合金等。復(fù)合金屬接觸線主要有鋁包鋼接觸線和銅包鋼接觸線?；宀牧现饕兘饘?、銅基粉末冶金材料、鐵基粉末冶金材料、浸金屬碳材料和碳碳復(fù)合材料等，高速鐵路主要使用碳碳復(fù)合材料滑板。但是，由于各種載流摩擦副材料承受的物理化學(xué)過程基本一致，其共同的發(fā)展趨勢(shì)是組織復(fù)合化和結(jié)構(gòu)復(fù)合化。典型的組織復(fù)合化材料是Cu-C材料(C指石墨、碳纖維、碳納米管等材料)[26]，典型的結(jié)構(gòu)復(fù)合化材料是Ag-涂層材料、Cu包鋼和Al包鋼復(fù)合材料。

3 結(jié)束語

隨著科技的日益發(fā)展，載流摩擦副自身向小型化和高可靠性方向發(fā)展，同時(shí)其工作條件苛刻化，即傳輸?shù)哪芰棵芏仍絹碓酱?，相?duì)運(yùn)動(dòng)的速度越來越高，工作環(huán)境極端化。中國現(xiàn)有的技術(shù)已不能滿足需求，開展電磨損研究是解決這些問題的必由之路。作者認(rèn)為以下問題可能成為下一階段的研究重點(diǎn)：

(1)加強(qiáng)載流摩擦機(jī)理的研究，特別是過程的動(dòng)態(tài)化和材料配副性研究，是工作的重點(diǎn)之一。中國電接觸學(xué)研究落后，現(xiàn)有技術(shù)大多為引進(jìn)技術(shù)，機(jī)理研究不透徹，直接影響中國相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。在已有的載流摩擦研究中，對(duì)電弧及其影響的重視不夠，對(duì)載流摩擦的動(dòng)態(tài)研究較少。隨著載流摩擦新材料的研究不斷深入，材料配副性的研究將受到重視。

(2)隨著科技大發(fā)展，載流摩擦副的服役條件越來越苛刻，工作環(huán)境極端化，開展相關(guān)研究，為突破工程技術(shù)領(lǐng)域的瓶頸提供技術(shù)支持。

(2014年6月10日收稿)

[1] 溫詩鑄. 摩擦學(xué)原理[M]. 第1版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1990: 387-487.

[2] ZHANG Y Z, YANG Z H, SONG K X, et al. Triboelectric behaviors of materials under high speeds and large currents [J]. Friction, 2013, 1(3): 259-270.

[3] 上官寶. 載流/摩擦耦合條件下材料的損傷機(jī)制研究[D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2011.

[4] ZHAO H, BARBER G C, LIU J. Friction and wear in high speed sliding with and w ithout electrical current [J]. Wear, 2001, 249(5/6): 409-414.

[5] JIA S G, LIU P, REN F Z. Sliding wear behavior of copper alloy contact w ire against copper-based strip for high-speed electrified railways [J]. Wear, 2007, 262: 772-777.

[6] HE D H, MANORY R, SINKIS H. A sliding wear tester for overhead w ires and current collectors in light rail systems [J]. Wear, 2000, 239(1): 10-20.

[7] YASAR I, CANAKCI A, ARSLAN F. The effect of brush spring pressu re on the wear behaviour of copper-g raphite b rushes w ith electrical current [J]. Tribology International, 2007, 40: 1381-1386.

[8] NAGASAWA H, KATO K. Wear m echanism of copper alloy w ire sliding against iron-base strip under electric current [J]. Wear, 1998, 216: 179-183.

[9] HE D H, MANORY R. A novel electrical contact material w ith improved self-lubrication for railw ay cu rrent collecto rs [J]. Wear, 2001, 249: 626-636.

[10] BOUCHOUCHA A, CHEKROUD S, PAULM IER D. Influence of the electrical sliding speed on friction and wear processes in an electrical contact copper-stainless steel [J]. Applied Surface Science, 2004, 223: 330-342.

[11] 鳳儀, 黃守國, 王成福, 等. 壓力對(duì)碳纖維-銅-石墨復(fù)合材料電磨損性能的影響[J]. 礦業(yè)工程, 2001, 21(1): 74-76.

[12] 陶寧, 鳳儀, 黃守國, 等. 壓力對(duì)碳纖維-銅-石墨復(fù)合材料電刷摩擦系數(shù)的影響[J]. 礦業(yè)工程, 2001, 21(4): 86-88.

[13] LAVIELLE L. Electric field effect on the friction of a polyethyleneterpolymer film on a steel substrate [J]. Wear, 1994, 176: 89-93.

[14] WISTUBA H. The effect of an external electric field on the operation of an alum inium oxidecast iron sliding contact joint [J]. Wear, 1997, 208: 113-117.

[15] SHUNICHI K, KOJ K. Effect of arc discharge on wear rate of cuimpregnated carbon strip in unlubricated sliding against cu trolley under electric current [J]. Wear, 1998, 216: 172-178.

[16] 鳳儀, 王文芳, 黃守國. 電流強(qiáng)度對(duì)碳纖維-銅-石墨復(fù)合電刷材料電磨損性能的影響[J]. 潤滑與密封, 2000(3):15-16．

[17] SWINGLER J, MCBRIDE J W. A com parison of the erosion and arc characteristics of Ag/CdO and Ag/SnO, contact materials under DC break conditions [C]//Proceedings of the 41th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts. Montreal: IEEE, 1995: 381-392.

[18] 胡道春. 滑板材料載流摩擦磨損中電弧侵蝕特性研究[D]. 洛陽: 河南科技大學(xué), 2008.

[19] CHEN Z K, SAWA K. Effect of arc behavior on material transfer: a review [J]. IEEE Trans Com pon Packag M anu f Technol, 1998, 21: 310-321.

[20] KUBO S. Wear properties of metal/carbon composite pantograph sliders for conventional electric vehicles [J]. Wear, 1997, 38(1): 25-30.

[21] KUBO S, KATO K. Effect of arc discharge on the wear rate and wear mode transition of a copper-impregnated metallized carbon contact strip sliding against a copper disk [J]. Tribology International, 1999, 32: 367-378.

[22] 王其平. 電器電弧理論[M]. 第3版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991: 1-45.

[23] 張永振, 楊正海, 上官寶, 等. 典型材料載流摩擦行為[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(5): 9-14.

[24] 山岸宣行. 電觸頭材料[J]. 電工材料, 2011(2): 41-48.

[25] 柏小平, 林萬煥, 張明江. 低壓電器用電觸頭材料[J]. 電工材料, 2007(3): 12-16.

[26] 楊正海, 張永振, 陳拂曉, 等. 載流摩擦用銅碳粉末冶金材料概述[J].材料導(dǎo)報(bào), 2012, 26(2): 106-110.

(編輯：沈美芳)

Research progress and challenges in tribo-electric systems

ZHANG Yong-zhen①, YANG Zheng-hai②, SHANGGUAN Bao③
①③Professor, Key Laboratory of Material Tribology, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan Province, China; ②Ph. D. Candidate, Wuhan Research Institute of Materials Protection, China Academy of Machinery Science and Technology, Wuhan 430030, China

Performances of tribo-electric systems are determined not only by the tribological and electric behaviors of the sliding pairs, but also by their combination effects. Among those combination effects, electric arc plays very important role in contacting surface damage. M oreover, the advances and possible breaks in tribo-electric research are introduced in this paper.

current-carrying, arc, friction, contact

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.04.004

*國家自然科學(xué)基金(U1034002、51375147)和河南省科技廳省院科技合作基金(112106000034)資助