軌道交通滑動(dòng)電接觸材料的研究進(jìn)展*

王向飛 高國(guó)強(qiáng) 楊澤鋒 賀書航 馬亞光 董克亮 魏文賦 吳廣寧

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031)

1 引言

軌道交通是交通運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑哂锌焖?、高效、安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國(guó)際合作中起著至關(guān)重要的作用。截至2022 年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15.5 萬(wàn)公里，其中高鐵4.2 萬(wàn)公里，規(guī)劃至2035 年，我國(guó)鐵路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到20萬(wàn)公里左右，高鐵總長(zhǎng)度將達(dá)到7 萬(wàn)公里。屆時(shí)，高速鐵路將會(huì)為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展注入更加強(qiáng)勁的動(dòng)力。

滑動(dòng)電接觸不同于其他的電接觸方式，是電接觸的一種特殊形式，兩接觸副相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不分離?；瑒?dòng)電接觸狀態(tài)下，接觸副的使用壽命和接觸界面間的機(jī)械電氣特性與接觸導(dǎo)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、接觸副材料等密切相關(guān)[1]。高速列車、城際列車、城市地鐵和貨運(yùn)機(jī)車等軌道交通電力機(jī)車通過(guò)滑動(dòng)電接觸方式受流，電力機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，受電弓滑板(弓)作為機(jī)車獲取動(dòng)力的集電元件，通過(guò)直接與接觸網(wǎng)導(dǎo)線(網(wǎng))滑動(dòng)接觸獲得電流，供給列車使用，如圖1 所示。弓網(wǎng)系統(tǒng)作為電力機(jī)車獲取能量的唯一渠道，其穩(wěn)定可靠的電接觸是保證列車安全運(yùn)行的前提。而接觸副材料是弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸的核心問(wèn)題，直接影響著弓網(wǎng)電接觸系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和電力機(jī)車的受流質(zhì)量。

圖1 軌道交通電力機(jī)車的受流方式

隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，弓網(wǎng)電接觸問(wèn)題日益凸顯。目前，電力機(jī)車的最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速已超400 km，列車運(yùn)行速度不斷提升，受電弓滑板與導(dǎo)線由柔性接觸變?yōu)閯傂越佑|，弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行工況更加復(fù)雜。隨著鐵路向高速、重載的方向發(fā)展，電力機(jī)車保證高質(zhì)量受流將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2]。

軌道交通滑動(dòng)電接觸的相關(guān)問(wèn)題引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注，針對(duì)弓網(wǎng)材料及界面匹配已開展大量研究[3-6]。上海理工大學(xué)劉平團(tuán)隊(duì)[3-4]針對(duì)接觸線用Cu-Cr-Zr 等高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金開展了系統(tǒng)研究，取得了顯著的研究成果。西南交通大學(xué)吳廣寧團(tuán)隊(duì)[5-6]針對(duì)高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)開展系統(tǒng)性研究，研制了高性能新型復(fù)合材料的受電弓滑板，有效抑制了弓網(wǎng)故障，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

雖然針對(duì)弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸方面相關(guān)理論和材料的研究成果豐富，但因摩擦副界面匹配關(guān)系惡化引起的元件故障問(wèn)題還時(shí)有發(fā)生。因此本文整理總結(jié)近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸材料方面取得的研究成果，理清新型滑動(dòng)電接觸材料的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)研究綜合性能更加優(yōu)異的新型滑動(dòng)電接觸材料具有極其重要的意義。

2 軌道交通滑動(dòng)電接觸材料性能要求

滑動(dòng)電接觸狀態(tài)下伴隨著接觸元件的摩擦振動(dòng)、局部高溫、電弧放電等物理和化學(xué)過(guò)程，要求滑動(dòng)電接觸材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐磨抗沖擊性、抗燒蝕性等優(yōu)異的物理和化學(xué)性能[7-9]。軌道交通的弓網(wǎng)受流系統(tǒng)是一種典型的滑動(dòng)電接觸方式，接觸網(wǎng)導(dǎo)線和受電弓滑板分別作為靜動(dòng)摩擦副，對(duì)其材料性能提出了以下幾個(gè)方面的要求：電氣性能、力學(xué)性能、耐磨性能、耐熱性能、耐候性能、自清潔性和維護(hù)性、防腐蝕性等。

(1) 電氣性能：接觸導(dǎo)線和滑板需要具備良好的導(dǎo)電性能以滿足對(duì)電流承載能力的要求，同時(shí)，盡可能減小電阻以降低壓降和電能的損失。

(2) 力學(xué)性能：導(dǎo)線和滑板均需要具備足夠的強(qiáng)度和剛度以適應(yīng)載荷的變化，導(dǎo)線還需要具備較小的線膨脹系數(shù)和良好的耐疲勞性能。

(3) 耐磨性能：滑板材料應(yīng)具備一定的自潤(rùn)滑性能，減小滑板自身的磨損和對(duì)導(dǎo)線的磨損，延長(zhǎng)弓網(wǎng)服役壽命。

(4) 耐熱性能：列車運(yùn)行過(guò)程中，弓網(wǎng)離線出現(xiàn)的電弧會(huì)燒蝕導(dǎo)線和滑板。因此，要求導(dǎo)線具有良好的軟化溫度，滑板具有較高的抗電弧燒蝕性能。

(5) 耐候性能：導(dǎo)線和滑板長(zhǎng)期暴露在環(huán)境中，須具備一定的耐候性。此外，導(dǎo)線需要具備一定的防腐蝕能力，減少大氣中的水分、氧化物和污染物等對(duì)導(dǎo)線的腐蝕作用。

京滬線的可行性研究中對(duì)接觸線的性能提出了很高的要求，具體參數(shù)如表1 所示[10]。根據(jù)表1 中的參數(shù)，現(xiàn)階段的接觸線性能仍難以全部滿足。且隨著高速鐵路速度的進(jìn)一步提升，弓網(wǎng)關(guān)系成為制約高速鐵路發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。導(dǎo)線和滑板的選材和設(shè)計(jì)需要考慮接觸副材料的要求，同時(shí)，還應(yīng)滿足相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，以確保列車和乘客的安全。

表1 京滬線接觸線性能要求[10]

3 接觸網(wǎng)導(dǎo)線材料

自1881 年出現(xiàn)第一條由弓網(wǎng)系統(tǒng)供電的電氣化鐵路以來(lái)，世界電氣化鐵路發(fā)展至今已有140 余年的歷史。1945 年，我國(guó)第一條電氣化鐵路——寶成鐵路開通運(yùn)營(yíng)，經(jīng)過(guò)近八十年的發(fā)展，我國(guó)鐵路已位居世界第一。隨著電氣化鐵路的發(fā)展，接觸線主要有純銅接觸線、銅合金接觸線、復(fù)合接觸線等，接觸線材料的發(fā)展歷程如圖2 所示。

圖2 接觸線材料的發(fā)展歷程

3.1 純銅接觸線

純銅接觸線具有良好的導(dǎo)電和耐腐蝕性能。純銅接觸線導(dǎo)電率可高達(dá)97.5%IACS，但其強(qiáng)度較低，耐磨性差，抗拉強(qiáng)度一般只有350 MPa，極大地限制了純銅在接觸導(dǎo)線上的應(yīng)用，故純銅接觸導(dǎo)線僅適宜在200 km/h 以下的低速鐵路上使用[10]。隨著電氣化鐵路速度的提升，純銅因軟化溫度低、耐磨耐熱性能差而逐漸被其他材料所代替[2]。

3.2 銅合金接觸線

為改善銅的軟化溫度和抗拉強(qiáng)度，通常在純銅中添加銀、錫、鎂、鉻、鋯等元素，熔煉的合金材料在保證電導(dǎo)率影響較小的情況下，可以大幅提升合金材料的抗拉強(qiáng)度等綜合性能。接觸線使用的合金主要有銅合金、銅-鋼、銅-鋁，銅-鋼、銅-鋁接觸線的耐腐蝕性能較差，接觸導(dǎo)線使用最多的就是銅合金材料。目前在接觸導(dǎo)線上廣泛研究的銅合金材料主要有銅銀合金、銅錫合金、銅鎂合金、銅鉻鋯合金等。

3.2.1 銅銀合金接觸線

Ag 是一種理化性質(zhì)較為穩(wěn)定的貴金屬元素，屬于固溶強(qiáng)化型合金元素，具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，對(duì)銅銀合金的導(dǎo)電率影響較小。在銅中添加適量的銀可以形成高電導(dǎo)率、高強(qiáng)度、耐磨耐高溫的銅銀合金，較純銅接觸線具有更高的耐高溫強(qiáng)度[11]。因?yàn)锳g 析出相在銅合金析出相界面上以原子邊緣遷移的方式生長(zhǎng)，界面失配位錯(cuò)的存在補(bǔ)償了壁架的移動(dòng)和生長(zhǎng)，因此可以顯著改善接觸導(dǎo)線材料的綜合性能[12]。德國(guó)曾在機(jī)車運(yùn)行速度為250 km/h 的Re-250 型接觸網(wǎng)中使用銅銀合金接觸線[10]。

銅銀合金接觸線的電學(xué)、力學(xué)等綜合性能與元素含量、生產(chǎn)方法、成型工藝等息息相關(guān)。隨著Ag含量增加，Cu-Ag 合金界面密度的升高使得電導(dǎo)率下降，合金纖維增加及間距減小使得合金抗拉強(qiáng)度提高，但其強(qiáng)化作用逐漸減弱[13]。Cu-Ag 合金擠壓變形后的顯微組織為等軸晶，再經(jīng)拉拔后晶粒明顯細(xì)化，導(dǎo)電率升高，但強(qiáng)度和硬度略有下降[11]。文獻(xiàn)[14]采用熱處理和拉伸結(jié)合的方法對(duì)Cu-Ag 合金進(jìn)行強(qiáng)化處理，不僅簡(jiǎn)化了熱處理工藝，還可以制備出綜合性能顯著增強(qiáng)的形變纖維增強(qiáng)的Cu-Ag合金。

銅銀合金除了銅銀材質(zhì)外還包括銅銀錫材質(zhì)。我國(guó)曾在200～250 km/h 的線路中普遍使用銅銀、銅銀錫系列接觸導(dǎo)線，研制的Cu-0.04Ag-0.07Sn 接觸導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率分別達(dá) 409 MPa 和90%IACS[15]。銅銀和銅錫銀合金接觸導(dǎo)線雖然導(dǎo)電率和載流量大，但較純銅接觸導(dǎo)線的強(qiáng)化效果不明顯，且Ag 屬于貴金屬，成本高，并不適合大范圍使用。

3.2.2 銅錫合金接觸線

Sn 元素在銅中的固溶度很大，具有固溶強(qiáng)化效應(yīng)，在銅中添加適量的Sn 元素可以提高銅合金的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性能。相比Cu-Ag 合金導(dǎo)線，添加Sn 元素形成的Cu-Sn 合金接觸導(dǎo)線的制造工藝簡(jiǎn)單，成品率較高，價(jià)格便宜。銅錫合金接觸線曾在電氣化鐵路上廣泛使用，日本接觸導(dǎo)線主要就以銅錫合金為主，1997 年，日本利用銅錫合金接觸線，實(shí)現(xiàn)了300 km/h 的目標(biāo)[16]。

針對(duì)銅錫合金接觸線的生產(chǎn)工藝已開展大量研究。Sn 元素的含量明顯影響銅錫接觸線的性能，Sn 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.050%～0.300%時(shí)，銅錫接觸線導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度隨著Sn 元素含量增加分別減小和增大，圖3 所示為Sn 元素對(duì)銅錫合金導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度的影響[17]。Sn 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.050%時(shí)，銅錫接觸線導(dǎo)電率為91.3%IACS，抗拉強(qiáng)度為432 MPa；Sn 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.300%時(shí)，接觸線的導(dǎo)電率為78.8%IACS，抗拉強(qiáng)度為454 MPa。成形工藝對(duì)銅錫合金接觸線的性能有著顯著影響。通過(guò)SCR 連鑄連軋法生產(chǎn)出的銅錫合金接觸線抗拉強(qiáng)度為450 N/mm2，伸長(zhǎng)率為4.2%，電阻率為0.216 3×10-8Ω·mm2/m[18]。文獻(xiàn)[19]通過(guò)比較不同成形工藝的銅錫合金接觸線，確定連鑄連擠連軋3 道次連拉成形為最佳工藝，成形接觸線的抗拉強(qiáng)度為538 MPa，伸長(zhǎng)率為12%，電阻率為2.360×10-8Ω·m，滿足電氣化鐵路的使用要求。

圖3 Sn 元素對(duì)銅錫合金導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度的影響[17]

雖然銅錫合金接觸線制造工藝簡(jiǎn)單，成本低且成品率高，經(jīng)濟(jì)性好，但相較于銅銀合金，銅錫合金的耐腐蝕性較差，會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)的壽命縮短。此外，銅錫合金的接觸網(wǎng)導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)較大，容易出現(xiàn)熱應(yīng)力和熱裂紋等問(wèn)題，影響導(dǎo)線的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2.3 銅鎂合金接觸線

Mg 元素的添加會(huì)大幅增加銅鎂合金的抗拉強(qiáng)度，銅鎂合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高溫穩(wěn)定性以及良好的耐磨性、耐腐蝕性能和導(dǎo)電性能，較銅錫和銅銀合金接觸線具有更優(yōu)的綜合性能。德國(guó)在時(shí)速300 km/h 以上的Re330 接觸網(wǎng)中采用銅鎂合金接觸線，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到500 MPa，且最高時(shí)速可達(dá)400 km/h，開創(chuàng)了銅鎂合金接觸線在高速運(yùn)行線路上取得成功的經(jīng)驗(yàn)[20]。中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝采用上引連續(xù)擠壓工藝，生產(chǎn)出性能指標(biāo)明顯提高的超細(xì)晶強(qiáng)化型銅鎂合金接觸線，抗拉強(qiáng)度為560 MPa，導(dǎo)電率為65%以上，性能超過(guò)國(guó)外同類產(chǎn)品[21]。目前，銅鎂合金接觸線在高速鐵路廣泛應(yīng)用，我國(guó)速度300 km/h 高速鐵路全部采用銅鎂合金接觸線[21]。

一般地，銅鎂合金接觸線中Mg 含量多維持在0.4%左右，且多采用特殊加工手段以兼顧銅合金高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的重要性能[22]，當(dāng)鎂的含量超過(guò)0.7%時(shí)接觸線生產(chǎn)過(guò)程中容易發(fā)生碎斷[23]。有研究[17]表明，當(dāng)Mg 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%時(shí)，銅鎂接觸線的導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度分別為98.0%IACS和420 MPa，Mg 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.580%時(shí)，銅鎂接觸線的導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度分別為63.5%IACS和580 MPa，圖4 所示為Mg 元素對(duì)銅鎂合金導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度的影響。對(duì)比圖3 與圖4 可知，鎂元素的含量對(duì)銅鎂合金導(dǎo)線性能的影響規(guī)律與Sn 元素對(duì)銅錫接觸線的影響規(guī)律一致。但相同抗拉強(qiáng)度下，銅錫合金的導(dǎo)電率更高，與銅錫合金相比，相同導(dǎo)電率的銅鎂合金則可以獲得更高的抗拉強(qiáng)度，等含量的Sn 元素對(duì)合金導(dǎo)電率的影響比Mg 小[17]。

圖4 Mg 元素對(duì)銅鎂合金導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度的影響[17]

鎂易氧化燒損，使得銅鎂接觸線的熔煉鑄造難度較大，制造工藝更加復(fù)雜。針對(duì)銅鎂合金接觸線的加工工藝已有大量研究[24-29]。文獻(xiàn)[24]對(duì)不同工藝參數(shù)下的上引連鑄銅鎂合金桿的微觀組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)上引速度過(guò)快、冷卻強(qiáng)度過(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致銅鎂合金晶粒粗大，最終確定了上引速度261 mm/min、冷卻強(qiáng)度25～30 L/min 為較佳工藝參數(shù)。文獻(xiàn)[25]通過(guò)對(duì)Cu-0.3Mg 合金棒料連續(xù)擠壓變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，銅鎂合金材料在連續(xù)擠壓成型加工后晶粒得到顯著細(xì)化，力學(xué)性能得到改善。但袁遠(yuǎn)等[26-27]采用光學(xué)顯微鏡對(duì)Cu-Mg 接觸線邊緣進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，接觸線邊緣出現(xiàn)多條與邊緣線輪廓相近的裂紋，并且在Cu-Mg 合金接觸線的端口發(fā)現(xiàn)，拉伸斷口出現(xiàn)了分層缺陷，研究發(fā)現(xiàn)分層缺陷是連續(xù)擠壓過(guò)程中正壓力異常分布所致。針對(duì)連續(xù)擠壓過(guò)程中壓力異常問(wèn)題，數(shù)值仿真模擬是一種有效的分析手段。文獻(xiàn)[28]對(duì)Cu-0.3Mg 和Cu-0.4Mg合金接觸線的熱變形行為進(jìn)行研究，構(gòu)建了鎂銅的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力模型和熱變形方程，并通過(guò)試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了模型的正確性和可靠性。文獻(xiàn)[29]基于仿真模擬結(jié)果建立了Cu-Mg 合金接觸線連續(xù)擠壓接觸應(yīng)力的分布函數(shù)，并與實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)驗(yàn)證，總結(jié)了提高連續(xù)擠壓接觸應(yīng)力的有效措施。

就耐腐蝕性能而言，銅銀、銅錫、銅鎂合金在鹽霧腐蝕過(guò)程中表面均出現(xiàn)了均勻腐蝕，銅銀合金呈條紋狀結(jié)構(gòu)，銅錫合金呈粗糙結(jié)構(gòu)，銅鎂合金表面還出現(xiàn)了點(diǎn)狀局部腐蝕；三種合金系的耐鹽霧腐蝕的機(jī)制不同，年化腐蝕速率為同一水平，銅鎂合金的耐腐蝕性能略差于銅銀、銅錫合金[30]。

相較于Cu-Ag、Cu-Sn 合金接觸線，Cu-Mg 合金接觸線的性能更加優(yōu)異，但因鎂元素的易氧化燒蝕，其加工工藝也最為復(fù)雜困難。此外，隨著高速鐵路速度的進(jìn)一步提升，銅鎂合金接觸線將不能滿足電氣化鐵路對(duì)接觸線性能的要求，銅鉻鋯合金接觸線得以研究開發(fā)。

3.2.4 銅鉻鋯合金接觸線

Cr 元素具有高度的抗腐蝕性和耐熱性，合金中添加Cr 元素可以顯著提高合金的耐熱性能，有研究表明，銅銀合金中加入0.11%的Cr 后，合金軟化溫度提高了110 ℃[4]。相較于Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-Mg合金，Cu-Cr 系合金具有更優(yōu)的綜合性能。Cu-Cr系合金屬于時(shí)效析出強(qiáng)化型合金，Cr 作為彌散析出的強(qiáng)化項(xiàng)，Cu-Cr 合金強(qiáng)度的提高主要依賴于Cr 相的析出[31]。但Cr 元素在銅中的固溶度很小，多余的Cr 不能進(jìn)入Cu 基體，不能起到固溶作用，對(duì)合金性能的影響有限[32]。為此，在Cu-Cr 合金中添加Zr 元素，可以提高Cu-Cr 系合金的綜合性能。Cu-Cr系合金中加入少量Zr 元素后，在合金中同時(shí)存在Cr 和Zr 析出相，兩種析出相交互作用，使得析出相由片狀變?yōu)轭w粒狀，析出相變得細(xì)小，從而改善了合金的強(qiáng)度和硬度[33]。Cr、Zr 元素的加入，一方面產(chǎn)生極強(qiáng)的彌散強(qiáng)化效果，提高銅合金的強(qiáng)度，另一方面使得電子的運(yùn)動(dòng)阻力增加，有效電子數(shù)減少，造成電導(dǎo)率降低[34]。銅鉻鋯合金接觸線以其高強(qiáng)高導(dǎo)(≥560 MPa、≥75%IACS)的特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。

Cr、Zr 含量影響Cu-Cr-Zr 合金的力學(xué)性能和電導(dǎo)率。隨著元素Cr 或Zr 含量的增加，鑄態(tài)和時(shí)效態(tài)的Cu-Cr-Zr 合金的硬度和抗拉強(qiáng)度均增大，延伸率和電導(dǎo)率減小，但經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，更多的Cr 和Zr 元素從Cu 基體中析出，使得合金的導(dǎo)電率和硬度提高。文獻(xiàn)[35]表明，經(jīng)熱擠后Cr 含量為0.86%的合金經(jīng)固溶時(shí)效后抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，為431.7 MPa，且電導(dǎo)率達(dá)到79.3%IACS。此外，以Cu60Zr40 中間合金的方式加入元素Zr，合金的組織和成分更均勻，銅基體中可以熔入更多的Cr 和Zr[36]。

Cr 和Zr 的密度小于Cu，熔點(diǎn)較Cu 高出近800 ℃，且Zr 極易被氧化，熔煉時(shí)Cr 和Zr 懸浮在Cu 液表面，燒蝕量大，難以溶入Cu 基體，所以常用真空熔煉法制備Cu-Cr-Zr 合金[37]。但陶業(yè)卿等[38]利用中頻感應(yīng)爐在大氣條件下熔煉制備了高強(qiáng)高導(dǎo)的Cu-0.77Cr-0.45Zr合金，鑄態(tài)下顯微硬度為92HV，導(dǎo)電率為53%IACS，經(jīng)后續(xù)加工處理，顯微硬度達(dá)170HV、導(dǎo)電率為78%IACS。

時(shí)效析出型強(qiáng)化合金的性能與時(shí)效、溫度以及工藝流程等密切相關(guān)[39-42]。文獻(xiàn)[39]就固溶階段的合金性開展研究，Cu-Cr-Zr 合金最合理的固溶溫度為950 ℃，120 min 固溶基本完成，此時(shí)僅固溶階段合金的硬度為58.9HBS，導(dǎo)電率為50%IACS。文獻(xiàn)[40]表明，Cu-Cr-Zr 合金80%冷變形后最大的電導(dǎo)率比初始電導(dǎo)率提高約一倍，且變形量越大，合金的電導(dǎo)率越高。Cu-Cr-Zr 合金經(jīng)450 ℃時(shí)效1 h后形成了塊狀Cr 和Cu4Zr 析出物，可以顯著提高合金的力學(xué)性能和電學(xué)性能，Cu-0.98Cr-0.057Zr 合金在室溫下壓制95%并經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度為669.1 MPa，導(dǎo)電率為74.5%IACS。Cu-1.0Cr-0.1Zr合金經(jīng)過(guò)180 min 430 ℃時(shí)效獲得最佳綜合性能，導(dǎo)電率為85.86%IACS，硬度為176.54HV，抗拉強(qiáng)度為552 MPa[39]。此外，等通道角擠壓(Equal channel angular pressing, ECAP)技術(shù)可以有效地增強(qiáng)合金強(qiáng)度，ECAP 過(guò)程中，晶粒細(xì)化與位錯(cuò)硬化共同作用，Cu-Cr-Zr 合金的強(qiáng)度顯著提高[41]。文獻(xiàn)[42]經(jīng)6 道次 ECAP+450℃/1h 時(shí)效處理， 制備的Cu-0.5Cr-0.16Zr 合金接觸線強(qiáng)度為903 MPa，硬度為280HV，電導(dǎo)率為 73.6%IACS，軟化溫度為580 ℃。

對(duì)Cu-Cr-Zr 系合金接觸線而言，已經(jīng)出現(xiàn)了性能更優(yōu)的高強(qiáng)高導(dǎo)型(≥580 MPa、≥80%IACS)、中強(qiáng)高導(dǎo)型(≥480 MPa、≥88%IACS)等多個(gè)系列[43]。Cu-Cr-Zr 合金雖然具有優(yōu)異的綜合性能，但Zr 元素在Cu-Cr-Zr 合金的制備過(guò)程中的燒損和成分不穩(wěn)定問(wèn)題是關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，成分不穩(wěn)定問(wèn)題主要是由于Zr 與Cu 等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的[44]。為解決這些問(wèn)題，目前，已有學(xué)者開展代替Zr 元素合金的開發(fā)研究[45-46]。隨著進(jìn)一步的研究和發(fā)展，Cu-Cr-Zr合金及其替代合金接觸線具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ型诟咚勹F路接觸網(wǎng)上大范圍應(yīng)用。

3.3 復(fù)合接觸線

考慮到銅的成本和資源問(wèn)題，早在20 世紀(jì)40年代末，法國(guó)開始利用鋁的良好導(dǎo)電性和鋼的耐磨性研制了鋼鋁接觸線，波蘭也在50 年代試制了S100/215 型鋼鋁接觸線，但低碳鋼的耐腐蝕性能較差。我國(guó)在20 世紀(jì)60 年代初研制仿波蘭上、下復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋼鋁接觸線GLCA-100/215，選擇10Cu 鋼或10PCuRe(D)鋼并通過(guò)添加磷使得鋼的耐腐蝕性能有了較大的改善，1989 年我國(guó)開通的電氣化鐵路中有一半為鋼鋁接觸線，代表型號(hào)是CGLW215。1978 年前后，我國(guó)開始研制了代表規(guī)格型號(hào)為CGLHD260 的鋼-鋁-鋁合金復(fù)合接觸線，具有載流量大等優(yōu)點(diǎn)。但鋼鋁接觸線因斷面結(jié)構(gòu)不合理，抗鹽霧和大氣腐蝕的性能較差，接頭多、易斷裂，接觸網(wǎng)的可靠性差等原因被鋁包鋼接觸線取代[1,47]。

鋁包鋼接觸線是采用包覆技術(shù)用鋁將鋼包覆形成的復(fù)合接觸線。日本生產(chǎn)的TA-196 型鋁包鋼接觸導(dǎo)線和我國(guó)改進(jìn)生產(chǎn)的CGLN-250 型鋁內(nèi)包梯形鋼接觸導(dǎo)線的拉斷力分別為68.6 kN 和54 kN，滿足準(zhǔn)高速鐵路和高速鐵路的要求，但因其導(dǎo)電性差被導(dǎo)電率更高的銅包鋼接觸線逐漸替代[48]。

1987 年，日本采用熱浸涂工藝成功研制出110 mm2的GT-CS 和GT-CSD 銅包鋼接觸線，1990年掛線試用，列車運(yùn)行速度達(dá)到275 km/h，1993 年試驗(yàn)速度達(dá)到425 km/h，并在時(shí)速300 公里的高速鐵路中投入使用，銅與復(fù)合導(dǎo)線截面積之比(簡(jiǎn)稱銅復(fù)比)分別為60%和80%左右[49]。銅包鋼接觸線的銅與復(fù)合接觸面之比可在20%～85%變化，故可制得不同導(dǎo)電率和強(qiáng)度相匹配的接觸線，抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率可在650～490 MPa和60%～80%IACS之間。銅包鋼接觸線還具有耐熱、耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)，壽命也較銅接觸線有所提升，鋼鋁、銅包鋼復(fù)合接觸線的主要技術(shù)指標(biāo)如表2 所示[2]。

表2 鋼鋁、銅包鋼復(fù)合接觸線的主要技術(shù)指標(biāo)[2]

3.4 稀土元素對(duì)接觸線性能的影響

稀土是La、Ce 等一組元素的統(tǒng)稱，具有典型的金屬性質(zhì)，并且化學(xué)性質(zhì)活潑，有脫氧、除氣和去雜的作用。稀土元素一般幾乎不固溶于銅，但稀土元素能夠與銅合金中的氧、硫、鉛、鉍等反應(yīng)生成高熔點(diǎn)的化合物，消除有害雜質(zhì)的影響，抑制納米析出相的長(zhǎng)大等行為，有效細(xì)化了合金晶粒，使其大小更加均勻，提高合金的延伸率、抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電性能[50-51]。

微量的Ce 元素對(duì)銅銀接觸線的性能有著顯著影響[52]，Cu-0.1%Ag 合金中加入0.056%的Ce 可明顯提高銅銀合金的強(qiáng)度，軟化溫度提高約35%，綜合性能顯著提高，具有良好的耐熱性[4]。添加0.2wt.% Ce 的Cu-Ag 合金的極限抗拉強(qiáng)度最大，添加1.0wt.% Ce 的Cu-Ag-RE 合金由于晶粒細(xì)化和析出硬化而具有更好的綜合力學(xué)性能[53]。較常規(guī)生產(chǎn)的Cu-Sn 合金接觸線，加入微量稀土元素后的Cu-Sn-Re 合金接觸線的綜合性能大幅提升，抗拉強(qiáng)度達(dá)到446 MPa，導(dǎo)電率為84.5%IACS[54]。合金加工過(guò)程中，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在高溫?zé)嶙冃芜^(guò)程中占主導(dǎo)地位。而加入微量元素Ce、Y 可以增加合金臨界應(yīng)變并延遲了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，使得合金晶粒細(xì)化，提高合金的流變應(yīng)力和硬度，Ce、Y 分別將Cu-Mg合金的活化能提高27%和35%[55]。多種稀土元素的加入使得合金具有更優(yōu)的性能。文獻(xiàn)[56]對(duì)比分析Ge、La、Y 和混合稀土(Ge+Y)對(duì)Cu-Cr-Zr 合金抗軟化性能的影響，稀土元素對(duì)合金的抗軟化性能均有改善，以混合稀土(Ge+Y)最為明顯，可將合金的軟化溫度提高30～40 ℃。

稀土元素雖然可以改善合金的綜合性能，但稀土的加入要適量，否則會(huì)形成脆性化合物，降低導(dǎo)電性[57-58]。文獻(xiàn)[58]指出，稀土元素含量小于0.08%時(shí)，稀土起到凈化作用，可提高銅合金導(dǎo)電性，但超過(guò)0.08%時(shí)，殘留量過(guò)多，形成分布不均勻的大塊脆性化合物，使得銅的電阻率增大，導(dǎo)電性下降。

4 受電弓滑板材料

國(guó)內(nèi)外高速鐵路發(fā)展至今，受電弓滑板均經(jīng)歷了如圖5 所示的金屬滑板、純碳滑板、粉末冶金滑板、浸金屬碳滑板和碳基復(fù)合材料滑板等幾個(gè)發(fā)展歷程[5]。為適應(yīng)高速鐵路的發(fā)展，滑板材料已進(jìn)入多元化的發(fā)展階段，新型滑板材料層出不窮，在保證高導(dǎo)電率的前提下，提高滑板的耐燒蝕、抗沖擊以及滑板自身和對(duì)接觸線的小磨耗是一直以來(lái)的研究重點(diǎn)。

圖5 受電弓滑板材料的發(fā)展歷程

4.1 金屬滑板

我國(guó)、日本和澳大利亞最初使用金屬純銅作為受電弓滑板材料。純銅滑板的組分均為銅，制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、力學(xué)強(qiáng)度高、導(dǎo)電性優(yōu)異，但與同為金屬材質(zhì)的接觸網(wǎng)導(dǎo)線親和力大，容易引起粘著磨損，導(dǎo)線滑板間的摩擦磨耗嚴(yán)重。為節(jié)約銅資源，日本從1925 年開始使用碳素滑板[59]。我國(guó)和法國(guó)的TGV 曾也使用軟鋼作為滑板材料，因其對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗嚴(yán)重已被淘汰[60]。目前純金屬的滑板由于磨耗嚴(yán)重已被具有自潤(rùn)滑性能的純碳材料和浸金屬碳材料滑板所替代。

4.2 純碳滑板

日本從1925 年開始使用碳素滑板，法國(guó)TGV后來(lái)也棄用鋼滑板，開始使用碳素滑板，德國(guó)的ICE自1991 年運(yùn)行以來(lái)就使用純碳素滑板。英國(guó)開發(fā)的純碳素滑板電阻率低、強(qiáng)度高，磨耗率為2.5～5.4 mm/萬(wàn)機(jī)車公里[61]。為提高純碳滑板的導(dǎo)電性，日本曾采用金屬噴涂法將細(xì)銅絲屑和粉末等混合后噴涂于石墨滑板表面來(lái)提高石墨滑板的韌性和降低電阻[62]。碳滑板降低了導(dǎo)線的磨耗，延長(zhǎng)了導(dǎo)線的使用壽命，但其長(zhǎng)時(shí)工況下的滑板磨損不均勻，弓網(wǎng)離線率增大，加劇了滑板的電氣損傷，同時(shí)，純碳滑板的力學(xué)強(qiáng)度較低，在振動(dòng)沖擊作用下易出現(xiàn)開裂掉塊現(xiàn)象，限制了其使用范圍[60-61]。

1967 年我國(guó)改用純碳滑板。針對(duì)碳滑板力學(xué)強(qiáng)度低的問(wèn)題，我國(guó)研發(fā)了鋁包碳滑板，為增加碳條強(qiáng)度，用擠壓的鋁合金框與整根碳條粘結(jié)，電阻率低的鋁材主要起導(dǎo)流的作用[63]。重慶西機(jī)務(wù)段在川黔線和成渝線上進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，鋁包碳滑板具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，但“偏磨”、“碳缺”和“打弓”造成的滑板非正常失效嚴(yán)重[64]。

國(guó)防科技大學(xué)針對(duì)受電弓滑板的磨損問(wèn)題開展研究，研發(fā)了輕質(zhì)高碳-石墨/鋁復(fù)合材料的新型滑板。該滑板將碳條和鋁托合為一體，一次工藝成形，強(qiáng)度主要由鋁承擔(dān)，碳-石墨含量可根據(jù)需要自由設(shè)計(jì)，這樣可以提高滑板材料的潤(rùn)滑性能，減少對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線的磨耗，同時(shí)，該復(fù)合工藝支持滑板長(zhǎng)度方向上的非均勻化處理，降低成本[65]。

4.3 粉末冶金滑板

1965 年，我國(guó)研制了第一批粉末冶金滑板，因其在使用過(guò)程中可以不斷生成潤(rùn)滑膜，降低摩擦副間的摩擦因數(shù)，自身磨耗不大，對(duì)導(dǎo)線的磨耗也小，在20 世紀(jì)80 年代初，粉末冶金滑板成為我國(guó)的定性產(chǎn)品[61]。粉末冶金滑板主要分為鐵基和銅基兩種，鐵基的多用于鋼鋁導(dǎo)線，銅基的主要用于銅導(dǎo)線。

電氣化鐵路初期，我國(guó)鋼鋁導(dǎo)線采用鐵基粉末冶金滑板，經(jīng)不斷改進(jìn)后，兩者匹配合理。但在銅導(dǎo)線區(qū)段，以FDB-I 型為例的鐵基粉末冶金滑板由于材質(zhì)硬度大，會(huì)對(duì)銅接觸導(dǎo)線的產(chǎn)生非正常磨耗[66]。為解決鐵基粉末冶金滑板在銅接觸導(dǎo)線上的非正常磨耗及碳滑板的碎裂問(wèn)題，研制了銅基粉末冶金滑板。后為減少導(dǎo)線的磨耗，提高滑板的使用壽命，進(jìn)一步改善為機(jī)械復(fù)合式銅基粉末冶金滑板。

機(jī)械復(fù)合式銅基粉末冶金滑板是加裝了固體潤(rùn)滑劑的銅基粉末冶金滑板，固體潤(rùn)滑劑一般采用鋁板燕尾嵌入式加螺栓固定式的安裝方式，BC-250 型機(jī)械復(fù)合式銅基粉末冶金滑板不會(huì)加劇銅接觸網(wǎng)導(dǎo)線的磨耗，滿足使用壽命的要求[67]。文獻(xiàn)[68]設(shè)計(jì)了雙潤(rùn)滑銅基粉末冶金滑板，適用于各種型號(hào)的鋁包鋼接觸線。文獻(xiàn)[69]以石墨、MoS2為潤(rùn)滑組元，以特殊的高分子材料為粘結(jié)劑制備金屬基受電弓用固體潤(rùn)滑劑，使用后銅質(zhì)導(dǎo)線的磨耗為0.153 mm2/萬(wàn)架弓次，降低了 50%以上，滑板磨耗小于0.1 mm/106m，使用壽命可以延長(zhǎng)2 倍。

日本從1951 年開始出現(xiàn)粉末冶金滑板，并逐漸發(fā)展為主流產(chǎn)品。新干線開通前主要使用的是銅基粉末冶金滑板，新干線開通后銅系燒結(jié)合金、銅系鑄造合金和鐵系燒結(jié)合金同時(shí)使用，以鐵系燒結(jié)合金最多，銅系燒結(jié)合金次之[60]。為降低銅系、鐵系粉末冶金滑板對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線的磨耗，在銅系和鐵系燒結(jié)合金中普遍加入了FeMo、FeCr、FeTi、Cr 等耐磨成分，提高粉末冶金合金的耐磨性能，在230 km/h 的運(yùn)行速度下，其厚度磨耗率為0.2～0.6 mm/(×103km)，體積磨耗率為4～1l cm3/(×103km)[61]。鐵系合金的基體成分為鐵、鎳、銅等，硬質(zhì)成分為鉬鐵合金、鉻鐵合金等，銅系合金的基體成分有銅、錫，硬質(zhì)成分有鐵、鉬鐵合金等，潤(rùn)滑成分均為碳、鉛等[70]，銅基粉末冶金滑板的工藝流程如圖6 所示。隨著新干線的運(yùn)行，合金材料不能滿足受電元件耐磨的需求，因此，將炭和金屬纖維等混合燒結(jié)制成混合型炭材料，混合型炭材料電阻小、強(qiáng)度大，但對(duì)接觸導(dǎo)線的磨耗依然較大[71]。

圖6 銅基粉末冶金滑板的工藝流程[70]

4.4 浸金屬滑板

20 世紀(jì)80 年代，日本開始浸金屬碳材料研究，研制的P/NA616-5 浸金屬碳材料密度為2.9 g·cm-3，肖氏硬度為83～89，電阻率為3.34～4.15 μΩ·m[71]。

20 世紀(jì)60 年代，我國(guó)就開始浸漬金屬的相關(guān)研究，80 年代已具備一定的水平。20 世紀(jì)90 年代初，我國(guó)高速電力機(jī)車開始采用浸金屬碳滑板，由中國(guó)鐵道科學(xué)研究院和哈爾濱電碳廠研制的浸金屬碳材料達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)銅接觸導(dǎo)線的磨耗為粉末冶金滑板的1/5[72]。四川某單位聯(lián)合研制的C26P型浸金屬碳材料的硬度為93.5HS，電阻率為7.5 μΩ·m，抗折強(qiáng)度為103.5 MPa，抗壓強(qiáng)度為370 MPa，除抗壓強(qiáng)度外其他性能達(dá)到或接近英國(guó)的MY7D 型材料的性能[71]，具體參數(shù)對(duì)比如表3 所示。為更好地適用銅導(dǎo)線或銅與鋼鋁導(dǎo)線混架區(qū)段，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院等單位研制了鋁包復(fù)合型浸金屬碳滑板(SAC)，SCA 型鋁包浸金屬碳滑板以碳石墨材料為基體，高溫高壓浸漬熔融金屬后包上鋁外殼制得。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證明鋁包復(fù)合型浸金屬碳滑板對(duì)導(dǎo)線磨耗小，耐沖擊、耐磨、自身使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[63,66]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)受電弓滑板制作技術(shù)發(fā)展迅速，哈爾濱電碳有限責(zé)任公司研制的金屬浸漬碳滑板已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、企業(yè)化生產(chǎn)，并在北京鐵路局正式應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)研制的金屬浸漬碳滑板在貨運(yùn)鐵路中得到了廣泛的應(yīng)用，進(jìn)口的金屬浸漬碳滑板已逐漸被替代。

表3 C26P 與MY7D 的性能比較[71]

浸金屬碳滑板的制備一般先采用純碳滑板的制備工藝制得多孔碳坯料作為碳基體，然后將銅或銅合金浸入碳基體中，得到浸金屬碳材料。銅在碳基體中呈現(xiàn)空間網(wǎng)狀分布，可以大幅度降低碳基體中的孔隙率，同時(shí)，形成的空間金屬骨架結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的硬度，起到增強(qiáng)抗沖擊的作用，此外，銅的高導(dǎo)電性使得浸金屬碳材料的導(dǎo)電性能大幅增加[73]。部分學(xué)者還研究用鋁或鋁合金浸漬碳基體，制備輕量化的浸金屬碳滑板[74]。

常用熔滲工藝將銅或銅合金浸入碳基體，根據(jù)工藝中壓力的不同可分為壓力浸漬、無(wú)壓熔滲和負(fù)壓滲透[75-76]。但因銅/碳間的自然浸潤(rùn)性差，銅熔液不易浸入碳基體，且界面結(jié)合力很差，制約了材料的機(jī)械電氣綜合性能[76]。為此，引入具有良好濕潤(rùn)性的碳化物以改善碳/銅界面的濕潤(rùn)性，提高金屬熔液在碳基體中的浸漬量[77-78]。常用的引入濕潤(rùn)性的碳化物方法有兩種，一種是通過(guò)加入Ti 和Cr 等元素與預(yù)制體發(fā)生反應(yīng)生成具有良好濕潤(rùn)性的TiC 和Cr2C3等濕潤(rùn)性碳化物[79]，但加入過(guò)量鈦生成的TiC阻塞C/C 上的孔洞，降低了滲透效果[80]；另一種是通過(guò)在碳基體表面制備具有良好潤(rùn)濕性的Mo2C 涂層以更加均勻地浸潤(rùn)銅熔液[81]。文獻(xiàn)[82]通過(guò)有限元數(shù)值模擬Mo2C 晶粒增強(qiáng)的多孔石墨基體中銅熔體的二維滲流過(guò)程，研究了Mo2C 晶粒尺寸、體積分?jǐn)?shù)對(duì)銅熔體的滲流行為及復(fù)合材料氣孔率的影響規(guī)律，圖7 所示為銅/石墨體系和銅/石墨/Mo2C 體系的浸滲過(guò)程中流體的壓力場(chǎng)對(duì)比，圖7 中標(biāo)記的①～⑤分別對(duì)應(yīng)流體壓強(qiáng)等于0.1～0.5 MPa 的五個(gè)點(diǎn)，可以看出經(jīng)Mo2C 改性后驅(qū)替壓力的平均傳遞長(zhǎng)度約向前推進(jìn)了30 μm。此外，ZUO 等[83-84]通過(guò)試驗(yàn)和仿真等手段，研究了活性元素Fe、B 改善碳/銅濕潤(rùn)性以及合成的Fe3C、B4C 化合物對(duì)界面演化的影響機(jī)理，制備了力學(xué)性能優(yōu)異的碳/銅復(fù)合材料。

圖7 流體的壓力場(chǎng)對(duì)比

目前，浸金屬滑板的制備技術(shù)比較成熟，且在我國(guó)電力機(jī)車受電弓領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。但當(dāng)前的浸金屬碳滑板制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本和維護(hù)成本較高，且隨著高速列車運(yùn)行速度等級(jí)的不斷提升，浸金屬碳滑板也出現(xiàn)了開裂、掉塊等情況。因此，以碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料為代表的新型受電弓滑板得以研發(fā)。

4.5 新型材料滑板

4.5.1 碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料滑板

碳纖維具有良好的自潤(rùn)滑性和減磨性能，電導(dǎo)率為1.0×10-3～1.0×10-2Ω·cm，是優(yōu)異的增強(qiáng)相材料，在影響材料導(dǎo)電性能不大的情況下可以極大地增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，碳纖維復(fù)合材料滑板的沖擊強(qiáng)度比浸金屬碳滑板提高近10 倍[85]。此外，碳纖維復(fù)合材料還具有良好的耐燒蝕性能和耐腐蝕性能。纖維增強(qiáng)受電弓滑板材料的制備工藝主要包括破碎研磨、篩粉、混捏、軋片、液壓成型和燒結(jié)碳化，制備工藝流程如圖8 所示。

圖8 纖維增強(qiáng)受電弓滑板材料的制備工藝流程

纖維含量和纖維長(zhǎng)度對(duì)材料的導(dǎo)電率、強(qiáng)度及摩擦性能有顯著影響?？傮w上，隨著碳纖維含量的增加，材料的電阻率增大，但沖擊強(qiáng)度增強(qiáng)；隨著纖維長(zhǎng)度的增加，材料的摩擦因數(shù)增大，但磨損率減小，沖擊強(qiáng)度增大[86]。日本久保田喜雄等[87]針對(duì)新干線車輛用C/C 復(fù)合材料滑板開展磨損試驗(yàn)研究，C/C 復(fù)合材料滑板在速度為400 km/h 條件下顯示出穩(wěn)定的耐磨性能，同時(shí)，拉長(zhǎng)應(yīng)力沿碳纖維取向方向作用時(shí)，C/C 復(fù)合材料滑板的預(yù)設(shè)斷裂韌性是普通石墨材料的5 倍，是新干線用燒結(jié)合金滑板的一半，但由于長(zhǎng)纖維強(qiáng)化材料具有較強(qiáng)的各向異性，應(yīng)用時(shí)需要掌握實(shí)際的載荷，針對(duì)預(yù)想的應(yīng)力載荷方向?qū)μ祭w維進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲谩?/p>

我國(guó)研制的JM-1 型碳纖維增強(qiáng)型碳基復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度為 3.8 J/cm2，導(dǎo)線磨損率為0.007 7 mm2/ 萬(wàn)架次，材料使用壽命達(dá)(8 ～10)×104km，導(dǎo)線和滑板壽命分別是鋁包浸金屬碳SAC 材料和浸金屬碳C3070 材料的2 倍和1 倍[72]。東北大學(xué)楊連威等[88]利用銅、碳纖維、石墨和添加劑等材料，采用粉末冶金法研制出性能優(yōu)良的受電弓碳滑板，與C26型碳滑板和C26P型浸金屬碳滑板相比，該滑板材料的電導(dǎo)率分別提高了87 倍和27倍，抗沖擊性分別提高了9.6 倍和4.4 倍，摩擦因數(shù)分別降低了54.5%和16%，磨損量分別減小41%和40%，與德國(guó)Rh82Mb 型滑板相比，導(dǎo)電性能和抗沖擊性分別提高65 倍和1.7 倍，摩擦因數(shù)和磨損量相近。

由于碳纖維表面光滑、吸附性能低，具有疏水性和化學(xué)惰性，致使碳纖維和基體間的界面粘結(jié)性差，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的綜合性能[89]。為解決碳纖維/基體界面結(jié)合問(wèn)題，需要對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性。一般有酸性修飾[90]、電化學(xué)改性[91]、等離子體表面改性[92]、高能輻射改性[93]和表面吸附/生長(zhǎng)納米顆粒[94]等碳纖維表面改性技術(shù)，文獻(xiàn)[95]詳細(xì)綜述了碳纖維表面改性技術(shù)和碳纖維/聚合物界面粘結(jié)方面的研究進(jìn)展。預(yù)氧化碳纖維具有豐富活性官能團(tuán)，將其引入可顯著改善碳-碳復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)完整性，提高復(fù)合材料的力學(xué)、熱學(xué)等性能[96-97]。此外，有學(xué)者借鑒樹根仿生學(xué)，設(shè)計(jì)了碳滑板根系互鎖結(jié)構(gòu)，制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料的碳滑板，具有良好的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，抗壓和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到158.33 MPa、36.65 MPa[98]，根系仿生結(jié)構(gòu)示意圖如圖9 所示。

圖9 根系仿生結(jié)構(gòu)示意圖[98]

相較于純碳滑板，碳基復(fù)合材料滑板擁有更好的力學(xué)強(qiáng)度，并且更耐沖擊；與浸金屬碳滑板相比，它擁有更輕的質(zhì)量，更好的經(jīng)濟(jì)性，更耐沖擊，對(duì)導(dǎo)線磨損更小，并且不易產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧。因此，碳基復(fù)合材料應(yīng)用于受電弓滑板材料展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，有望將來(lái)在軌道交通領(lǐng)域推廣使用。

4.5.2 多元碳化物復(fù)合材料滑板

多元碳化物復(fù)合材料(MCC)是以MAX 相碳化物導(dǎo)電陶瓷為原料研制的一系列新型材料，MAX相碳化物導(dǎo)電陶瓷以鈦硅碳(Ti3SiC2)、鈦鋁碳(Ti3AlC2)為代表，是結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電和自潤(rùn)滑多功能合一的新型材料，兼具獨(dú)特的陶瓷性能和金屬性能，具有低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性能以及優(yōu)異的導(dǎo)電性能[99-101]等優(yōu)點(diǎn)。

Ti3SiC2顆粒鍍銅可以改善與基體的界面結(jié)合性能，提高Ti3SiC2-Cu-C 復(fù)合材料的導(dǎo)電性、硬度、抗彎強(qiáng)度和耐磨性能，要想進(jìn)一步提高材料的綜合性能，需要有效提高Ti3SiC2顆粒與銅基體間的界面結(jié)合力[102-103]?；w中摻雜Ti3SiC2可以起到良好的潤(rùn)滑和彌散強(qiáng)化作用，使制備的MCC 滑板材料具備更好的力學(xué)性能、電氣性能[104]，且對(duì)接觸線磨損小，可以有效解決碳基滑板開裂、掉塊，以及接觸線磨損嚴(yán)重的問(wèn)題。

由于Ti3SiC2粉末制備過(guò)程中的純度限制，目前還處于試驗(yàn)階段，未大規(guī)模生產(chǎn)，且其粉體價(jià)格高昂，難以產(chǎn)業(yè)化。另外，材料密度比碳滑板高，增加了受電弓的負(fù)載損失。因此，仍需要對(duì)其進(jìn)行深入研究，提高其性能穩(wěn)定性，降低成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。因此，MCC 滑板在穩(wěn)定性進(jìn)一步提高后，很有可能成為未來(lái)超高速列車受電弓滑板的理想選擇。

5 結(jié)論與展望

滑動(dòng)電接觸是高速列車受流的主要方式，是列車能量供給的唯一途徑。本文針對(duì)軌道交通弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸系統(tǒng)，回顧總結(jié)了接觸線和受電弓滑板材料在制備工藝技術(shù)等方面的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題，并對(duì)軌道交通滑動(dòng)電接觸材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，總結(jié)如下。

(1) 接觸線材料在繼純銅、銅銀合金、銅錫合金、銅鎂合金后已發(fā)展至銅鉻鋯合金，接觸線材料正逐漸朝著多元化合金的方向發(fā)展?，F(xiàn)階段接觸網(wǎng)導(dǎo)線以銅鎂合金為主，在未來(lái)更高速度的軌道交通領(lǐng)域，以性能更加優(yōu)異的Cu-Cr-Zr 合金以及其替代合金為代表的接觸線可能被廣泛使用。

(2) 電氣化鐵路經(jīng)過(guò)140 余年的發(fā)展，接觸線制備工藝技術(shù)已較為完善成熟。但以Mg、Zr 元素為例的易氧化燒損和成分不穩(wěn)定問(wèn)題仍是接觸線工藝需要簡(jiǎn)化改進(jìn)和攻克的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。此外，適量稀土的引入可以有效提高合金材料的綜合性能。稀土對(duì)合金性能的提升和作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究，結(jié)合改進(jìn)工藝技術(shù)，有效利用稀土元素最大化提升合金性能。

(3) 受電弓滑板經(jīng)純金屬、炭素、粉末冶金等滑板后，目前浸金屬碳滑板因其耐磨損和高導(dǎo)電的性能在高速鐵路上廣泛使用，但高速?zèng)_擊作用下仍存在開裂、掉塊等問(wèn)題。碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料滑板較浸金屬滑板具有更加優(yōu)異的綜合性能，有望代替浸金屬滑板成為新一代滑板的選擇。

(4) 碳纖維和基體間的界面結(jié)合能力作為影響碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，施膠、等離子體、化學(xué)處理和碳納米管/納米粒子涂層等多尺度碳纖維的表面改性技術(shù)是研究的重點(diǎn)。同樣地，浸金屬滑板的浸漬工藝中，改善C/Cu 界面的濕潤(rùn)性，提高金屬熔液的浸漬量是增強(qiáng)浸金屬滑板抗沖擊等性能的重要研究方向。

(5) MCC滑板是以Ti3SiC2碳化物導(dǎo)電陶瓷為代表的新型滑板，具有高強(qiáng)度、耐燒蝕、耐磨損等性能。但受其制備工藝的限制，目前處于試驗(yàn)階段，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，在技術(shù)成熟能夠降低成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，是一種理想的滑板材料。