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艺，以铜粉、铜网等为原料，制备新型滑板材料，该材料是碳纤维、石墨和铜的复合物，其结构上突出特点是使用了铜网，综合性能高于国内产品。3.2 碳纤维基滑板材料摩擦性能的研究De 等24发现，在潮湿条件下，碳纤维基滑板材料载流滑动的摩擦系数要高于无电流情况下的摩擦系数。这是因为载流情况下水润滑膜容易被破坏的缘故。干燥条件下，摩擦对磨损表面对电流效应最为敏感。由于团聚的原因，铜和碳的反向转移更大，氧化程度更严重。碳的磨损机理主要是伴随氧化侵蚀的材料转移。袁华25研究发现，连续碳纤维/短切纤维增强碳滑板，随着电流增大，滑板的磨损率显著增大，且三种磨损机制并存。熊贤至26 研究发现，在纯机械磨损情况下，可以观察到现役进口纯炭滑板的磨损形式有磨粒磨损、剥层磨损、粘着磨损和疲劳磨损四种形式并存，后两种形式占比非常小。在电弧侵蚀作用下，碳材料出现气化和氧化现象。4 存在的问题与展望从欧洲、日本以及国内的滑板应用经验和各种材料的市场占有率看，纯碳材料和浸金属碳材料是未来滑板材料的主要方向。但过去 10 年间，可能由于技术保密等原因，有关滑板材料配方及加工工艺的研究文献较少。国内一些企业、大学和研究所等单位虽然在自主研发方面投入了很多精力，但要想赶上并超过国外同行的水平尚需一段时间。今后研究工作可以从如下几个方面展开。（1）有关滑板材料的元素组成，微观结构表征。这方面的研究文献较少，开展进口滑板材料的表征分析、与使用性能及寿命的相关性研究是十分必要的。（2）滑板材料的加工工艺以及设备的研究，特别是浸金属碳材料真空浸铜工艺的研究。（3）针对速度等级较高的磁悬浮车辆以及 450 公里时速列车动车组，碳滑板材料的开发、滑板磨耗机理的研究。国内外实际大范围应用的高铁最高等级为 350 公里，更高速度等级的车辆还在研发中，相关滑板材料的技术储备工作也是重要研发方向。（4）滑板材料标准得研究。我国滑板标准指标不够精细，具体，未能对材料的研发起到方向性指导作用。有关滑板材料标准指标及参数的研究也是未来的重要研究方向。参考文献1 张婧琳,孙乐民,上官宝,等.电气化铁路受电弓滑板材料的发展 J.热加工工艺,2010,39(10):110-112,115.2 余亚岚,袁楠,江丹露,等.镍与石墨含量对新型铜基粉末冶金受电弓滑板材料性能的影响 J.粉末冶金材料科学与工程,2015,20(3):419-424.3 牟浩瀚,马帅,胥恩泽,等,时效处理对城市轨道交通铜基受电弓滑板组织与性能的影响 J.粉末冶金材料科学与工程,2017,22(3):435-442.4 罗骥,曹慧钦,贾步超,等,新型铜基受电弓滑板材料的制备与性能 J.复合材料,2012,29(2):103-108.5 杨鹏翱,张红波,尹健,等.热处理对炭/炭-铜复合材料载流磨损行为的影响 J.材料科学与工艺,2015,23(5):38-42.6 袁华,王成国,卢文博,等.连续炭纤维增强受电弓滑板致密化及其性能 J.材料工程,2012,(7):5-9.7 MA S,XU E,ZHU Z F,et al.Mechanical and wear performances of aluminum/sintered-carbon composites produced by pressure infiltration for pantograph slidersJ.Powder Technology,2018,326:54-61.8 WANG P,DENG G,ZHU H T,et al.Eff ect of Pyrolytic Carbon Interface Thickness on Conductivity and Tribological Properties of Copper Foam/Carbon CompositeJ.Applied Composite Materials,2021,28(1):219-233.9 陈飞雄,颜君毅,王铁军.电力机车受电弓滑板用浸铜碳条的试验研究 J.内燃机与配件,2020,(12):39-41.10 马帅.金属/烧结碳基复合受电弓滑板材料的力学与摩擦磨损性能研究 D.安徽:合肥工业大学,2018.11 鄢鹏,邓祖柱,沈志麟,等.高速动车组受电弓滑板用炭条研制 J.碳素技术,2021,40(2):53-56.12 许岩,陈光雄,钟传枝.不同铜含量浸金属碳滑板的载流摩擦磨损性能 J.润滑与密封,2022,47(1):60-66.13 LI M,REN B Y,WU W,et al.Copper fiber reinforced needle-coke/carbon composite for pantograph slide and its current-carrying wear performanceJ.Materials Research Express,2022,9(5):1-15.14 WEI W F,LI X B,LIAO Q H,et al.Electro-mechanical Performance Improvement of Pantograph Strip for High-speed Railway.ICEMPE 2021-3rd International Conference on Electrical Materials and Power Equipment,April 11,2021,ICEMPE 2021.15 周悦.受电弓滑板材料电弧烧蚀特性研究 D.成都:西南交通大学,2013.16 姜国强,陈忠华,温良,等.受电弓滑板材料的载流摩擦磨损特性 J.材料导报,2013,27(8):91-96.17 WU G N,ZHOU Y,GAO G Q,et al.Arc Erosion Characteristics of Cu-Impregnated Carbon Materials Used for Current Collection in High-Speed RailwaysJ.IEEE Transactionson Components,Packaging and Manufacturing Technology,2018,8(6):1014-1023.18 段绪伟,李宇星,魏文赋,等.不同受电弓滑板材料电弧烧蚀特性对比研究 J.电工技术,2020,45(11):114-116,118.19 黄显峰.受电弓滑板材料的制备、组织与性能研究D.吉林:长春工业大学,2012.20 WANG P,WANG L,KANG K J,et al.Microstructural,mechanical and tribological performances of carbon fiber reinforced copper/carbon compositesJ.J Mater Sci.,2021,142(142):1-12.(下转第137页)合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期137指标见表 7。表 7 15.5tex 竹浆纤维纱线的主要质量指标Table 7 Main quality indexes of 15.5 t e x bamboo pulp fiber yarns项目单位指标值单纱强力不匀率%9.7百米重量不匀率%2.5单纱断裂强度cn/tex13.4条干%13.8细节个/km0粗节个/km26棉结个/km343.7 络筒工序采用德国产的 338 型自动络筒机，成形良好，空捻打结质量高，采用电清工艺，纱线保持光泽良好，防止纱线起毛19。4 总结为了增强竹纤维的抱合力，对竹纤维要提前进行预处理，因竹纤维吸湿、放湿明显，生产现场的相对湿度控制在 64%70%。为了利于纤维的转移，减少损伤，在梳棉工序时，针布规格配置要合适，各分梳元件间的速度和隔距，要合理搭配。在并条工序和细纱工序时，合适的胶辊硬度和涂料，对生产过程顺利进行作用很大。参考文献1 唐元军竹纤维毡增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究 D.上海:华东理工大学,2014:23-252 周建萍竹原纤维和竹浆纤维的结构与性能研究 J.上海纺织科技,2006(05):18-23.3 陈丽亚.竹纤维纱线的生产实践 J.北京纺织,2004(04):20-23.4 陈丽亚.竹纤维纱线的生产实践 J.江苏纺织,2004(02):94-96.5 詹树改竹纤维的结构性能及其纺织品的生产工艺分析 D.苏州大学,2008:1-4.6 常涛.竹纤维 14.8tex 喷气纱纺纱实践 J.纺织科技进展,2008(06):25-27.7 雒书华,张兰峰,赵庆福.竹纤维纯纺纱线生产实践C.“云竹杯”首届中国竹纤维产业发展峰会论文集.2007:25-28.8 陈丽亚.竹纤维纱线的生产实践 C.“云竹杯”首届中国竹纤维产业发展峰会论文集.2007:12-14.9 孟宾.海藻纤维面料的研究与开发 D.江苏:苏州大学,2008:1-3.10 常涛.14.8tex 竹浆纤维喷气纱纺纱实践 J上海纺织科技,2008(07):18-21.11 周逊姜.14.8tex 麻浆纤维赛络纺纱实践 J化纤与纺织技术 2009(12):15-18.12 曹立宏,王来利,蒋少军.徐国香环保绿色竹炭纱的开发 C.雪莲杯第 10 届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集,2010:1-4.13 范尧明,沈霞,李轩.竹原、竹浆与苎麻纤维形态结构及性能分析 J.江苏纺织,2011(06):20-23.14 詹树改,周海敏.纯竹浆纤维 14.8tex 纱的生产实践J.棉纺织技术,2009(05):10-14.15 孙华,韩延合,王永强.天竹纤维系列纺织品的开发及应用 J.山东纺织科技,2007(04):20-23.16 杨勇,刘广平,郑凤琴.粘藻纤维纺纱实践 J.纺织科技进展,2008(02):25-27.17 李宁,白洋.竹原纤维性质及其应用 J.纺织科技进展,2003(03):15-16.18 王兴莉,陈松.绢/竹炭纤维 70/30 8.33texX2 混纺纱的开发 J.现代纺织技术,2009(05):10-13.19 周建萍.竹原和竹浆纤维的结构与性能研究 C.“云竹杯”首届中国竹纤维产业发展峰会论文集,2007:6-9.21 WANG P，JIA Y C，LI Y L,et al.Microstructural,mechanical and tribological performances of copper foam modifi ed CFRP composite for pantograph stripJ.Journal of Applied Polymer Science,2021,138(36):1-11.22 王继庆.电力机车受电弓滑板复合材料的选择和性能 D.辽宁:大连交通大学,2021.23 徐立新,强小虎,史雪婷,等.碳纤维/石墨/铜复合材料的制备与性能研究 J.兰州交通大学学报,2012,31(6):118-121.24 DE H J,HAN X L,MING X S,et al.The role of relatively humidity in friction and wear behaviors of carbon sliding against copper with electric currenttJ.Metrology and Properties,2021,31(9):1-12.25 袁华,王成国,张珊,等.碳纤维增强受电弓滑板制备及其摩擦磨损性能 J.复合材料科学与工程,2012,40(S1):115-119.26 熊贤至.不同炭质受电弓滑板材料的载流磨损及抗磨抑弧机理研究 D.长沙:湖南大学,2014.(上接第 119 页)合成材料老化与应用杂志投稿邮箱:欢迎 QQ:441438064 在线投稿