抑弧油对滑板用CC复合材料载流磨损性能的影响

　　受电弓滑板是为电力机车提供持续电力来源的重要集电元件，滑板/接触线构成了在机械作用与电气作用共同影响下的特殊摩擦副，受电弓滑板/接触线的载流磨损是在机械、摩擦、化学、传热和电气等因素综合作用下的一种磨损行为。滑板在高速运行过程中，因接触-分离产生的电弧侵蚀是造成滑板/接触线显著磨耗的主要原因。电弧侵蚀直接导致滑板/接触线的磨损表面粗糙度增大，造成磨损面上接触区材料受冲击剥落。另外，电弧还可激发材料转移和熔融喷溅等多种磨损模式。
　　对于既定的弓网系统而言，滑板材料的体积电阻率、力学性能、抗磨与减摩性能、耐电弧冲击及轻量化都是必须同时统筹考虑的参数。目前，炭材料仍是受电弓滑板用材料的主流材质。因为炭材料易在摩擦表面形成炭质润滑膜，炭质材料既可满足滑板所需的良好导电性、优异耐磨性，又可减轻电弧对摩擦副的侵蚀。为了进一步阐述电弧作用对炭质滑板材料载流磨损性能的影响，KUBO 等系统研究了电弧对浸铜炭滑板磨损率的影响，研究发现滑板的磨损率主要受控于滑板/导线间接触分离产生的电弧放电。沈向前等研究了有、无载流条件下 3D 炭/炭复合材料的干滑动摩擦磨损性能，结果表明，在载流条件下，大量摩擦热和电弧热使摩擦表面因局部温度的急剧升高而氧化，造成大面积的氧化磨损和氧化硬质颗粒造成的磨粒磨损。DING 等研究了在直流高速运载条件下纯炭滑板的载流磨损行为，结果表明，电流作用引起的高温磨损和电弧烧蚀磨损是造成炭滑板磨损加剧的主要因素，在滑板表面上存在电弧侵蚀坑，磨损表面滑动方向上出现电弧烧蚀的黑色流线，滑动磨痕，剥落块体，类铜层。纯炭滑板/铜接触线在交流高速下磨损机制呈现为磨粒磨损、电弧烧蚀和氧化磨损，并伴随着材料的转移。
　　1 实验
　　实验选用密度为 1.5 gcm3的 C/C 复合材料(由中南大学粉末冶金研究院提供)作为研究对象。在DZF-6050 型真空干燥箱中，采用真空浸渍法对 C/C复合材料浸渍抑弧油(德国进口)，抑弧油的主要参数如表 1 所列，浸渍温度为 40  ，浸渍时间为 2 h。
　　采用自制双销盘式载流摩擦磨损实验机测试C/C 复合材料/铜的载流磨损性能(对磨盘为紫铜材料，预磨时间为 3 min，其载流磨损实验参数如表 2 所列)。采用瑞士 CSM 仪器公司的 TRB 多功能摩擦磨损试验机测试 C/C 复合材料/铜的摩擦因数(对磨盘为紫铜材料，加载载荷为 5 N，转速为 0.83 ms1，磨损时间为40 min)。
　　2 结果与讨论
　　2.1 物理性能分析
　　未浸油 C/C 复合材料的断面粗糙，可见材料内部的开孔及明显的炭纤维被拔出后留下的孔洞。浸油 C/C 复合材料的断面被润湿，抑弧油均匀填充在 C/C 复合材料的微孔中，其断面模糊且光滑。抑弧油的存在使得摩擦副间的作用力减弱，减少了微凸峰之间的相互阻碍作用，能够降低其摩擦因数。
　　2.2 抑弧油对 C/C 复合材料磨损性能的影响
　　2.2.1 抑弧油对 C/C 复合材料摩擦因数的影响
　　在摩擦初始阶段，未浸油 C/C 复合材料的摩擦因数变化幅度较大且其摩擦因数高于浸油C/C 复合材料;随着摩擦的进行，C/C 复合材料的摩擦因数均趋于稳定，其中，未浸油 C/C 复合材料摩擦因数的最大值为 0.404，平均值为 0.245;而浸油 C/C复合材料摩擦因数的最大值为 0.187，平均值为 0.175。与未浸油 C/C 复合材料相比，浸油 C/C 复合材料的摩擦因数明显低于未浸油 C/C 复合材料，且其摩擦因数的稳定性优于未浸油 C/C 复合材料。
　　2.2.2 抑弧油对 C/C 复合材料载流磨损性能的影响
　　滑 行 速 度 为27.8 ms1，加载电流密度为 375 Acm2条件下，未浸油、浸油 C/C 复合材料/铜的接触区温度随磨损时间的变化曲线。图 4 为在相同条件下，未浸油、浸油 C/C复合材料的电火花尾部高度随磨损时间的变化曲线。
　　2.3 磨损表面及磨屑分析
　　为进一步分析浸渍抑弧油对 C/C 复合材料载流磨损性能及抑弧性能的影响，对未浸油、浸油的 C/C 复合材料的磨损表面和磨屑微观形貌进行表征。分别为未浸油、浸油的 C/C 复合材料的磨损表面和磨屑形貌的 SEM 照片。
　　3 结论
　　1) 经真空浸油处理能显著降低 C/C 复合材料的载流磨损率，并提高其抗电弧侵蚀性能，浸油 C/C 复合材料的载流磨损率约为未浸油 C/C 复合材料的 1/3。
　　2) 在磨损过程中，抑弧油可有效地填充摩擦副间的间隙，并形成一层润滑膜，降低其摩擦因数，使载流磨损趋于稳定，降低其磨损;在载流条件下，抑弧油通过其汽化蒸发和分解作用，形成气体抑弧微区，破坏电弧持续的能量平衡和离子平衡，从而提高 C/C复合材料的抑弧性能，使电弧侵蚀作用减弱。
　　3) 浸油 C/C 复合材料/铜的磨损机理主要是轻度的冲击磨损、剥层磨损和轻微的电弧侵蚀磨损。