沈明學(xué)，李含欣，季德惠，3，熊光耀1，

（1. 華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌 330013；2. 華東交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3. 華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測與保障國家重點實驗室，江西 南昌 330013）

載流摩擦磨損是指兩個摩擦副在電場中進(jìn)行相對運動時， 伴隨有電流通過的一種摩擦磨損行為， 廣泛存在于電力傳輸系統(tǒng)、 現(xiàn)代鐵路交通系統(tǒng)、工業(yè)發(fā)電機(jī)、電磁軌道炮等領(lǐng)域[1-2]。 弓網(wǎng)系統(tǒng)（見圖1）工作時，受電弓需要從接觸網(wǎng)獲取穩(wěn)定的電能， 它們之間的電接觸是一種典型的載流摩擦學(xué)行為，是弓網(wǎng)間實現(xiàn)優(yōu)異載流質(zhì)量，即穩(wěn)定電信號傳輸?shù)年P(guān)鍵[3]。 有必要系統(tǒng)、深入地研究弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流摩擦磨損性能及其電弧燒蝕磨損行為，對促進(jìn)我國高速鐵路的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義[4]。

圖1 受電弓與接觸線滑動接觸Fig1 Sliding contact between pantograph and contact line

在20 世紀(jì)20 年代， 人們已經(jīng)開始了載流摩擦磨損方面的研究[5]。 與無載流的機(jī)械摩擦相比，由于電因素的參與， 載流摩擦磨損的摩擦過程變得更加復(fù)雜， 其摩擦磨損行為主要由摩擦副的材料成分、接觸表面的溫度、機(jī)器的設(shè)置參數(shù)（包括摩擦學(xué)參數(shù)和載流參數(shù)） 以及周圍環(huán)境等因素的主導(dǎo)[6]。 摩擦副材料在相對運動過程中易產(chǎn)生電弧，而由電弧引起的燒蝕現(xiàn)象不僅會導(dǎo)致接觸表面材料受熱熔化，發(fā)生蒸發(fā)、流動和噴濺等現(xiàn)象，還會導(dǎo)致接觸副表面的不平滑，產(chǎn)生裂紋、坑洼等失效現(xiàn)象，進(jìn)而嚴(yán)重影響弓網(wǎng)間的受流，甚至縮短其使用壽命[7-9]。 載流摩擦問題是載流和摩擦的耦合問題[10]，研究的最終目的是在滿足一定經(jīng)濟(jì)效益的前提下， 提高弓網(wǎng)接觸的可靠性以及弓網(wǎng)材料的工作壽命[11-12]。

本文綜述了摩擦學(xué)參數(shù)、 載流參數(shù)、 環(huán)境工況、 摩擦副材料4 個主要影響因素對弓網(wǎng)系統(tǒng)載流摩擦磨損性能的影響， 并重點探討了載流摩擦的磨損機(jī)制和電弧燒蝕的影響， 深入分析了弓網(wǎng)系統(tǒng)的表面行為， 以期為進(jìn)一步揭示弓網(wǎng)系統(tǒng)載流摩擦副的失效行為和提高弓網(wǎng)材料使用壽命提供理論參考。

1 載流摩擦磨損的研究

1.1 載流摩擦的基本特征

摩擦副的接觸平面從微觀上來說都是凹凸不平的，其接觸區(qū)域由一些分散的微小接觸點構(gòu)成，這些接觸點對載流摩擦接觸起著導(dǎo)流和負(fù)載的作用。 同時，運動過程中產(chǎn)生的熱量（摩擦熱和焦耳熱）會不均勻地分布在材料表面，且大部分在接觸點，導(dǎo)致其實際接觸應(yīng)力更高，表現(xiàn)出“負(fù)載集中”效應(yīng)。 而當(dāng)接觸點不能繼續(xù)支撐時，即遭到破壞，直到另一個新的接觸點重新支撐負(fù)載， 反復(fù)的失效和再支撐過程構(gòu)成了載流摩擦的磨損行為[1，13]。

載流摩擦學(xué)包括電接觸學(xué)和摩擦學(xué)， 是載流和摩擦耦合的問題[10]。 根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，得到了載流摩擦磨損系統(tǒng)的功能平面圖，如圖2 所示。載流摩擦磨損系統(tǒng)主要由兩對摩擦副及其界面空間（包括過渡層和環(huán)境介質(zhì)等）組成[14]。 所有功能平面可分為材料平面、 熱平面和功平面這3 個一級功能平面。 其中，材料平面分為摩擦副材料、介質(zhì)材料和摩擦產(chǎn)物等二級功能平面； 熱平面包括機(jī)械摩擦、電氣摩擦和化學(xué)反應(yīng)等二級功能平面；功平面包括相對運動過程中摩擦副之間功和電能的傳遞等二級功能平面。 載流摩擦副的相對運動會引起功、熱以及物質(zhì)的傳遞，并反映在相應(yīng)的功能平面。

圖2 載流摩擦磨損系統(tǒng)功能平面圖Fig2 Functional plane diagram of current-carrying friction and wear system

1.2 評價分析手段

根據(jù)摩擦副的接觸形式，載流摩擦磨損試驗機(jī)主要分為以下4 種：銷-盤式[15]、盤-盤式[16]、環(huán)-塊式[17]和往復(fù)式[18]。 以西南交通大學(xué)的環(huán)-塊式滑動摩擦試驗機(jī)為例：將銅基接觸線附在直徑為1 100 mm的旋轉(zhuǎn)盤(功率為48 kW，轉(zhuǎn)速為300 r/min)上，碳滑塊的尺寸為135 mm×30 mm×24 mm，試驗機(jī)示意圖見圖3，主要研究弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流摩擦學(xué)性能。該試驗機(jī)的尺寸較大，便于分析重載大電流工況下弓網(wǎng)的摩擦學(xué)性能，且滑板與接觸網(wǎng)線路之間“之”字型相對運動可通過兩個直向?qū)к墝崿F(xiàn)，貼合弓網(wǎng)系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用。

圖3 環(huán)-塊式滑動載流摩擦試驗[19]Fig 3 Ring-block sliding friction test[19]

載流摩擦特性的評價指標(biāo)主要包括摩擦磨損性能和電接觸性能[13]。 摩擦磨損性能的評價指標(biāo)主要是摩擦系數(shù)和磨損率，且需要分析摩擦過程中磨損表面的磨損程度和磨損機(jī)制的變化。 對于電接觸性能來說，目前沒有公認(rèn)的評價指標(biāo)，主要的評價方法有電流法、接觸電阻法等。 另外為評價電弧放電的程度，還引入了電弧放電能量[20-21]，起弧率[22]，載流效率[23-24]和載流穩(wěn)定性[25]等指標(biāo)。電弧放電能量E是衡量電弧放電程度的重要參數(shù)。 目前，一些學(xué)者將電弧放電能量定義為載流摩擦副之間的電壓降U 與電流I 的乘積， 在載流摩擦試驗的總時間T 范圍內(nèi)進(jìn)行積分后，再除以滑動距離d[26]，可用辛普森積分法[27]或梯形數(shù)值積分法[28]進(jìn)行計算，計算公式為

起弧率η 是衡量載流摩擦過程中起弧現(xiàn)象的一個標(biāo)準(zhǔn)， 其大小為載流摩擦過程中起弧時間t 與載流摩擦總時間T 的比值，計算公式為

載流效率μ 是相對運動過程中摩擦副受流能力的一個重要參數(shù)，其大小為載流摩擦中實際傳輸電流的平均值Ii與額定電流值I0的比值，計算公式為

為了揭示電弧放電現(xiàn)象的演變過程以及嚴(yán)重程度， 學(xué)者們采用了多種方法對其進(jìn)行表征。 例如，通過高速數(shù)碼攝相機(jī)[26]拍攝電弧放電過程的照片（如圖4 所示），可以直觀地表現(xiàn)電弧放電起弧、燃弧和熄弧的過程；通過加速度傳感器[28]來檢測弓網(wǎng)接觸的振動情況以顯示弓網(wǎng)離線的程度； 通過紅外熱像儀[27]來檢測電弧放電過程中接觸區(qū)域的溫度場變化；通過光敏元件[29]來測量電弧放電過程中的光強(qiáng)變化；通過拉曼光譜儀[30]來分析碳的分子結(jié)構(gòu)以揭示碳滑板表面的石墨化程度等。 此外，周培勇等提出了一種在線測量弓網(wǎng)電弧起弧和熄弧距離的方法[31]，將電流波形開始出現(xiàn)畸變的距離定義為起弧距離， 定義了電流波形開始出現(xiàn)畸變相對于畸變結(jié)束的絕對位移為弓網(wǎng)電弧熄弧距離。Zhang 在研究中定義了4 種電弧狀態(tài)[29]：穩(wěn)定接觸下無燃弧狀態(tài) （見圖5 （a））、 燃弧狀態(tài) （見圖5（b）），以及不穩(wěn)定接觸下隨機(jī)電?。ㄒ妶D5（c））和離線電弧（見圖5（d））。 其中，穩(wěn)定接觸意味著電流沒有受到電弧干擾，此時電氣性能不受影響，但電弧燒蝕無法避免。 不穩(wěn)定接觸下電弧放電不僅會導(dǎo)致電弧燒蝕，還會影響載流效率，尤其是連續(xù)的大電弧放電，即離線電弧，會造成弓網(wǎng)電流傳輸?shù)臅簳r中斷。

圖4 電弧放電過程的記錄, Fn=60 N, I=100 A[26]Fig.4 Recording of arc discharge process,Fn=60 N,I=100 A[26]

圖5 電流和電弧放電時程記錄（v=100 km/h，B= 41 N，f=0.426 Hz，I=120 A）Fig.5 Time history records of current and arc discharge（v=100 km/h，B= 41 N，f=0.426 Hz，I=120 A）

2 影響條件

2.1 摩擦學(xué)參數(shù)

一般來說，對載流摩擦性能影響較大的摩擦學(xué)參數(shù)主要包括法向載荷和相對速度。 當(dāng)法向載荷較大時，由于法向載荷的增加使得碳滑板和接觸線之間的接觸更加緊密，這在一定程度上抑制了離線電弧的發(fā)生，減少了電弧燒蝕現(xiàn)象，從而有助于實現(xiàn)弓網(wǎng)間的良好受流，同時抑制碳滑板的磨損[32-33]。 然而， 過大的法向載荷會增加碳滑板之間的機(jī)械磨損，故而存在一個最佳的法向載荷值，使得碳滑板的磨損最小[7]。陳忠華等[34]通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來建立磨損率的預(yù)測模型，并通過該模型計算了弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動電接觸的最優(yōu)載荷。 從該角度出發(fā)，陳光雄等模擬了服役過的碳滑板與被磨損的扁平接觸線之間存在一定傾斜角時[35]，傾斜角的存在可以減少二者之間的接觸面積，導(dǎo)致單位面積接觸壓力的增加，這相當(dāng)于增加了法向載荷，但是碳滑板的磨損量反而減少。 此外，陳忠華等還研究了波動壓力載荷[36]的影響，發(fā)現(xiàn)壓力波動幅度的增大會顯著提高電弧燒蝕的程度和接觸表面溫度，導(dǎo)致接觸面粗糙不平，磨損愈加嚴(yán)重，載流性能變差，從而影響機(jī)車的穩(wěn)定運行。 但在波動頻率范圍較小（1～5 Hz）時，壓力波動頻率的變化對弓網(wǎng)的磨損和電流傳導(dǎo)影響較小。 Zhang 等研究了純碳滑板載流滑動過程中動態(tài)接觸力對電弧放電的影響[37]，動態(tài)接觸力變化的計算公式如式（4）。 研究發(fā)現(xiàn)純碳滑板在動態(tài)接觸力的作用下會周期性地產(chǎn)生電弧放電，其放電周期與動態(tài)接觸力的周期一致，且電弧放電存在2%左右的起弧率臨界點，低于2 %時純碳滑板能保持優(yōu)良的載流能力，高于2 %時弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流質(zhì)量會急劇惡化。

載流摩擦副相對運動速度的提高易使弓網(wǎng)間的接觸不平穩(wěn)，導(dǎo)致接觸面振動加劇、溫度升高，進(jìn)一步加劇電弧放電現(xiàn)象，最終導(dǎo)致電弧燒蝕磨損加劇[38-39]。 楊紅娟等模擬了現(xiàn)代電氣化鐵路中受電弓碳滑板上架空線路的交錯運行，研究了振動[40]和往復(fù)運動距離[41]對弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)碳滑板低頻振動引起的接觸損耗是導(dǎo)致電弧放電的主要原因之一。 弓網(wǎng)運動往復(fù)距離的增大會導(dǎo)致機(jī)械磨損的減小和燒蝕磨損的增大， 尤其是往復(fù)距離大于30 mm 時，在往復(fù)滑動的兩個極限位置會存在分層磨損、氧化磨損和來自接觸線中的銅材料轉(zhuǎn)移。 因此：在往復(fù)滑動的兩個極限位置保持接觸副的良好接觸是降低純碳滑板磨損的直接途徑。 進(jìn)一步地，武云龍等對弓網(wǎng)系統(tǒng)中拉出值[42]對載流磨損性能的影響進(jìn)行了研究，其中，拉出值指的是定位點處接觸線偏移受電弓中心的距離，研究發(fā)現(xiàn)在載流狀態(tài)下電弧放電頻率和電弧放電能量都會隨著拉出值的增大而增大，但是碳滑板的溫升會降低。 這是由于隨著拉出值的增大，一方面碳滑板表面電弧弧根的運動速度越快，這在一定程度上阻止了接觸點溫度的升高。 另一方面，碳滑板表面的散熱面積越大，散熱效率越高，最終導(dǎo)致碳滑板磨損率的下降。

2.2 載流參數(shù)

對載流摩擦性能影響較大的載流參數(shù)主要包括電流和電壓等。 其中，電流又包括了電流極性、直流電或交流電、電流大小等。 例如，丁濤等通過銷-盤試驗機(jī)研究了電流正負(fù)極[43-44]對載流摩擦性能的影響， 在實驗中觀察到兩種不同的電弧放電現(xiàn)象：當(dāng)碳滑板與電源陰極相連時， 火花放電占主導(dǎo)地位；當(dāng)碳滑板與電源陽極相連時，以電弧放電為主。電弧放電和火花放電都屬于氣體放電[45]，火花放電是電極間的氣體被強(qiáng)電場擊穿而產(chǎn)生自激導(dǎo)電的現(xiàn)象，電弧放電是氣態(tài)帶電粒子（如電子或離子）維持導(dǎo)電的現(xiàn)象。 電弧放電通常分為直流電弧放電和交流電弧放電。 電弧放電會引起電流的變化，當(dāng)發(fā)生離線電弧放電時，直流電流波形的變化幅度（輕微波動的水平線）會加劇，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如圖6（a）所示。 同樣，交流電流波形（正弦曲線）也會出現(xiàn)畸變和失真，如圖6（b）所示。 兩者之間沒有很大的區(qū)別，均會導(dǎo)致電流波形畸變，繼而損傷電器[26]。

圖6 電弧放電產(chǎn)生的電流變化Fig.6 Current change caused by arc discharge

Mei 等研究了直流電流[46]和高密度交流電流[27]對載流摩擦性能的影響， 發(fā)現(xiàn)碳滑板的磨損率、溫升和電弧放電能量會隨著電流的增大而隨之升高。碳滑板的主要磨損機(jī)制包括磨粒磨損、粘著磨損和電弧燒蝕，且以電弧燒蝕為主。 Wang 等研究了電流對銅浸漬金屬化碳與Cu-Cr-Zr 合金摩擦學(xué)行為的影響[47]，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定狀態(tài)歸因于接觸面上形成了一層潤滑膜， 且摩擦界面處溫度的升高易造成氧化層的形成。 由石墨層和氧化層組成的轉(zhuǎn)移膜可以阻止摩擦副的直接接觸， 降低了摩擦副之間的粘聚力和粘著力。 黃海等研究了電壓[48]對載流摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著電壓的增大，碳滑板的磨損率和溫升會隨之增加。 此外，低壓下的磨損機(jī)制以機(jī)械磨損為主， 并伴有輕微的電弧燒蝕磨損， 高壓下的磨損機(jī)制主要是電弧燒蝕和粘著磨損。 進(jìn)一步增大電壓，梅桂明等[49]發(fā)現(xiàn)隨著電壓的增大， 純碳滑板的磨損形貌也表現(xiàn)出較大的差異，當(dāng)電壓為0 時，表面較為平滑且有光澤，有凹槽和粘著的痕跡；當(dāng)電壓為3.5 V 時，表面出現(xiàn)輕微的剝落坑；當(dāng)電壓為167 V 時，表面開始出現(xiàn)大量不均勻燒蝕坑和少量裂紋; 當(dāng)電壓為667 V時，表面出現(xiàn)較均勻的燒蝕坑；當(dāng)電壓為1 352 V時，表面則會出現(xiàn)明顯的燒蝕坑，且在燒蝕坑附近出現(xiàn)較大裂紋，如圖7 所示。

圖7 不同電壓下磨痕的SEM 圖像[49]Fig.7 SEM images of the worn scars for different voltages[49]

2.3 環(huán)境工況

弓網(wǎng)系統(tǒng)是一個開放的摩擦學(xué)系統(tǒng)，受電弓滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線間的接觸狀態(tài)會受到復(fù)雜多變的環(huán)境，如風(fēng)、沙、雨、雪天氣，甚至鹽霧、酸雨、沙塵暴等惡劣極端環(huán)境條件的影響。

松山晉作等通過灑水模擬了雨天運行時弓網(wǎng)系統(tǒng)的磨耗問題[50]，發(fā)現(xiàn)載流時產(chǎn)生的焦耳熱和電弧熱會使水汽化，產(chǎn)生散熱效果，顯著減輕了磨損，但電弧現(xiàn)象明顯增多。王蒙等進(jìn)行了類似的研究[51]，通過在垂直接觸面上噴水， 并通過閥門控制水量，模擬小雨、中雨和大雨三種天氣狀況，發(fā)現(xiàn)隨著降雨量的增加，電弧燒蝕磨損增加。 此外，非常薄的水膜可以在一定程度上減少磨耗，改善弓網(wǎng)摩擦副之間的接觸性能，但過厚的水膜和垂直滑板表面的浸入力會影響弓網(wǎng)間的電信號傳輸，導(dǎo)致載流質(zhì)量變差，且電弧放電現(xiàn)象也會相應(yīng)增強(qiáng)。 張會杰等比較了空氣和氮氣環(huán)境對C/C 復(fù)合材料載流摩擦學(xué)性能的影響[52]，并從以下兩個角度討論了氮氣氣氛下摩擦系數(shù)更高的原因： 一是氮氣具有惰性保護(hù)作用， 摩擦過程中摩擦副材料始終處于直接接觸狀態(tài)，接觸表面更加粗糙；而空氣條件下，摩擦表面易氧化，在接觸表面會形成穩(wěn)定的氧化膜，使摩擦系數(shù)降低。 二是在氮氣氣氛下，摩擦副材料接觸表面的活性較弱，空鍵鍵能較高，故而摩擦系數(shù)略高。

目前， 涉及不同環(huán)境工況的摩擦磨損研究較少，主要依靠力學(xué)計算和仿真模擬的方式進(jìn)行理論研究。 邢立成結(jié)合摩擦試驗和仿真計算分別研究了表面覆冰，霧霾和橫風(fēng)3 種環(huán)境對弓網(wǎng)電弧[53]的影響， 發(fā)現(xiàn)覆冰條件下弓網(wǎng)電弧的發(fā)生次數(shù)會增加，導(dǎo)致受流質(zhì)量惡化，但同時會降低弓網(wǎng)接觸界面的溫度，從而減少弓網(wǎng)的摩擦損耗；霧霾條件下會加劇電弧的發(fā)生，因為霧霾中的氣溶膠、硝酸鹽等物質(zhì)會導(dǎo)致絕緣性能下降，同時霧霾顆粒會在弓網(wǎng)接觸表面聚集，更易導(dǎo)致電弧離線；橫風(fēng)條件下會改變電弧的形態(tài)，當(dāng)風(fēng)力一定大時甚至可以加速電弧的熄滅。 此外，張莉娜利用有限元分析軟件研究了大風(fēng)對接觸網(wǎng)接觸壓力變化[54]的影響，進(jìn)而分析了對弓網(wǎng)受流質(zhì)量及運行安全造成的影響。 進(jìn)一步地，宋洋基于多種力學(xué)理論深度研究了環(huán)境風(fēng)下高速鐵路弓網(wǎng)動態(tài)受流特性[55]，建立了接觸網(wǎng)波動模型。 李運良基于熱傳導(dǎo)理論研究了弓網(wǎng)電弧對覆冰接觸網(wǎng)的[56]影響，仿真計算得到了弓網(wǎng)溫度分布的影響規(guī)律。

2.4 摩擦副材料

目前，工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的受電弓滑板多為碳滑板，包括純碳滑板和浸金屬碳滑板。 此外，還有純銅滑板、鋼滑板、鐵基粉末冶金滑板、銅基粉末冶金滑板以及鋁包覆碳滑板等。 接觸線所使用的材料主要有銅合金、鋁合金和鋼，主要分為硬銅線、硅銅線、鎘銅線、銀銅線、鎂銅線、鋁包覆鋼線以及銅包覆鋼線等[12]。

對于碳滑板材料來說，丁濤等將純碳和浸金屬碳滑板分別與純銅和不銹鋼接觸線組合對摩[57]，發(fā)現(xiàn)對于浸金屬碳和純銅配副， 由于存在較多的Cu 元素，易發(fā)生同素材料的轉(zhuǎn)移，即粘著磨損，因此在進(jìn)行弓網(wǎng)系統(tǒng)選材搭配時應(yīng)盡量避免選用同素材料。戴利民等研究了幾種不同的滑板材料[58]，發(fā)現(xiàn)純碳滑板接觸區(qū)域的亞表層在高溫下會被氧化。 而浸金屬碳滑板材料較為致密，其氧化速度較慢，強(qiáng)度較高，浸金屬碳滑板具有更好的載流摩擦性能。 此外，對于銅基粉末冶金碳滑板來說，載流摩擦過程中接觸區(qū)域的溫升低于其氧化溫度，高磨損率主要是電弧燒蝕對摩擦表面的破壞。 對于接觸線材料來說，Hu 等研究了銅銀接觸線和純銅接觸線[59]對載流摩擦行為的影響，發(fā)現(xiàn)銅銀接觸線的摩擦系數(shù)、磨損率和電弧放電能量均高于純銅接觸線。 高的電弧放電能量意味著碳滑板與銅銀合金接觸線之間的摩擦更容易產(chǎn)生電弧放電，而高的摩擦系數(shù)是因為銅銀接觸線的硬度更高，其他變化尚未解釋。

此外，徐曉峰等研究了碳滑板中石墨含量[15]對載流摩擦行為的影響， 發(fā)現(xiàn)隨著石墨含量的提高，銅/石墨材料的導(dǎo)熱率逐漸降低， 散熱量逐漸減少，隨著載流摩擦過程中所產(chǎn)生的熱量逐漸增加，材料的性能被嚴(yán)重弱化，甚至發(fā)生熔融。 當(dāng)石墨含量較低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %）時，在載流摩擦過程中銅/石墨材料會形成氧化膜和石墨膜，避免了由銅材料高親和力造成的粘著磨損，材料保持了較好的潤滑性能，更適合高速載流摩擦。 李雪飛等研究了石墨粒度[60]對載流摩擦行為的影響，發(fā)現(xiàn)較小的石墨顆粒（45 μm）能夠減少電弧的產(chǎn)生，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，增強(qiáng)摩擦面潤滑膜的形成，從而有效地降低摩擦系數(shù)和磨損率。 Zhao 等[61]利用化學(xué)鍍工藝和粉末冶金技術(shù)制備了銅/石墨烯復(fù)合材料，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)比的石墨烯均勻包覆在銅盤基體的表面，再與黃銅球進(jìn)行往復(fù)載流摩擦實驗，發(fā)現(xiàn)石墨烯的包覆可以降低磨損率，特別是在高的法向載荷下其抗磨效果更加顯著。 張軍偉等利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了銅-石墨梯度復(fù)合材料[62]，發(fā)現(xiàn)非梯度材料的電弧燒蝕現(xiàn)象嚴(yán)重， 且由于電弧的噴濺作用，其電弧燒蝕分布趨于分散，以長條狀為主；而梯度銅基復(fù)合材料的電弧燒蝕主要發(fā)生在出口處，燒蝕面積明顯減少。

3 界面溫升和電弧燒蝕

弓網(wǎng)系統(tǒng)載流摩擦過程中主要存在3 種熱能：電弧放電熱、焦耳熱和摩擦熱，其中，摩擦熱的影響最低。 焦耳熱和電弧放電熱會使得接觸界面的溫度升高[32，63]。 一方面，溫度升高會使得表面材料軟化，碳滑板表面的微凸體更易磨損， 表面粗糙度降低，摩擦力減小；另一方面，在滑動電接觸過程中，碳滑板表面會形成一層均勻致密的氧化膜，起到潤滑作用，減少摩擦。 然而，溫度升高會增加界面材料的磨損[64]。 此外，當(dāng)摩擦界面的溫度較低時，碳滑板表面的碳膜完整；隨著界面溫度的升高，碳膜的完整性下降， 且界面材料在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生軟化、突變和脫落，并發(fā)生塑性變形、磨粒磨損和疲勞剝落，這促進(jìn)了第三體磨損； 當(dāng)界面溫度高于氧化溫度時，界面材料的表面部分氧化，接觸表面不規(guī)則，產(chǎn)生電弧放電，磨損較為嚴(yán)重。卜俊等研究了溫度[65]對載流摩擦行為的影響，發(fā)現(xiàn)在低溫范圍內(nèi)（100～160 ℃）以磨粒磨損為主，而在高溫范圍內(nèi)（200 ℃以上），材料的磨損機(jī)制以粘著磨損為主，且高溫會導(dǎo)致碳滑板的摩擦表面生成氧化物和熔融層。 上官寶等研究了溫度對浸金屬碳材料和C/C 復(fù)合材料兩種碳滑板[25]的影響，發(fā)現(xiàn)隨著焦耳熱溫度的升高，浸金屬碳滑板中的金屬材料會軟化并壓在碳滑板的表面，形成金屬潤滑膜，從而有效地降低浸金屬碳滑板的摩擦損耗。 然而，隨著溫度的繼續(xù)升高，金屬材料會熔化、滲入基體或粘附在接觸線的表面，最終導(dǎo)致金屬潤滑膜的消失。 對于C/C 復(fù)合材料來說，高溫下C/C 復(fù)合材料中的纖維碳和沉積碳會升華， 并沉積在碳滑板的表面。 由于沉積碳具有良好的潤滑性，可以有效地降低碳滑板的摩擦損耗，且產(chǎn)生電弧放電的機(jī)率也更小。Mei 等通過試驗數(shù)據(jù)擬合的方式，指出碳滑板的溫升和電弧放電能量呈一定的線性關(guān)系[27]。

一般來說， 載流摩擦過程中最主要的磨損機(jī)制包括：電弧燒蝕、磨粒磨損和粘著磨損。 此外，丁濤等提出弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流摩擦副材料在受熱時存在一種磨損機(jī)制，即剝層/分層磨損[66-67]，其形成機(jī)制見圖8（a）。 首先，當(dāng)接觸表面發(fā)生熱疲勞磨損時，接觸表面的溫度升高，在碳滑板的表面形成了一層薄的氧化層。 然后，在熱應(yīng)力、剪應(yīng)力和法向力的共同作用下， 氧化層發(fā)生脆性斷裂，產(chǎn)生裂紋。 之后，裂紋會進(jìn)一步擴(kuò)展，并在接觸面上會出現(xiàn)片狀分層， 以及大量的剝落和磨屑。 滑動過程中磨屑被去除，形成了剝落坑，且邊緣有少量磨屑堆積。 弓網(wǎng)系統(tǒng)載流摩擦副的電弧放電會引起電弧燒蝕，其形成機(jī)理見圖8（b）。 電弧放電會在接觸表面上形成放電區(qū)域，由于電弧燒蝕的作用，放電區(qū)域會出現(xiàn)燒蝕坑、白亮層和磨屑。 同時，在剪應(yīng)力和法向載荷的共同作用下，放電區(qū)域會出現(xiàn)裂紋。 隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展并連接，在電弧燒蝕坑邊緣形成堆積的磨屑。 此外，丁濤等指出電弧燒蝕的特征是存在電弧燒蝕坑和暗流線[68]。 在弓網(wǎng)系統(tǒng)中，應(yīng)采用冷卻措施來降低碳滑板材料的熱磨損，特別是應(yīng)最大限度地抑制離線電弧放電，以延長受電弓碳滑板的使用壽命和更換周期。

圖8 磨損機(jī)制形成機(jī)理的物理模型[66]Fig.8 Physical model for formation mechanism of delamination wear and arc erosion[66]

4 結(jié)束語

弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流摩擦磨損是一個涉及機(jī)械、電氣、化學(xué)、熱傳導(dǎo)、電接觸等多因素的復(fù)雜問題。 通過對摩擦學(xué)參數(shù)、載流參數(shù)、環(huán)境工況、摩擦副材料這4 個主要影響因素的分析，得出以下主要結(jié)論：

1） 對于摩擦學(xué)參數(shù)，適當(dāng)?shù)姆ㄏ蜉d荷可以有效地抑制電弧放電，降低磨損；相對運動速度的提高易使接觸面不平穩(wěn)，導(dǎo)致振動加劇，接觸面溫度升高，電弧放電嚴(yán)重；

2） 對于載流參數(shù)， 隨著電流和電壓的增加，電弧放電頻率和強(qiáng)度增大；

3） 對于環(huán)境工況，水蒸氣或水會通過吸附和化學(xué)反應(yīng)影響摩擦副材料之間地接觸狀態(tài)，特別是氧化物的生成會導(dǎo)致導(dǎo)電性能的惡化；

4） 對于摩擦副材料，應(yīng)盡量避免使用同素材料作為弓網(wǎng)系統(tǒng)的摩擦配副；適當(dāng)添加自潤滑導(dǎo)電材料，如石墨或者石墨烯，以及一些梯度復(fù)合材料的構(gòu)建可有效改善弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流摩擦磨損性能。

弓網(wǎng)系統(tǒng)在載流摩擦過程中的磨損機(jī)制較為復(fù)雜，受熱時以粘著磨損、氧化磨損和剝層/分層磨損為主，電弧放電時以電弧燒蝕、氧化磨損和粘著磨損為主。 在整個載流摩擦過程中，弓網(wǎng)系統(tǒng)始終存在著磨粒磨損和材料轉(zhuǎn)移。

然而，目前所使用的載流摩擦試驗機(jī)大多以自制或改裝為主， 且使用的摩擦副材料不盡相同，較難實現(xiàn)實驗的可重復(fù)性和可移植性，進(jìn)而難以保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有效積累。 載流摩擦配副的結(jié)構(gòu)和材料還可以進(jìn)一步深入研究，基于具體的工作參數(shù)和實際的環(huán)境條件，結(jié)合摩擦磨損試驗與模擬仿真計算等方式， 針對性地開發(fā)新型摩擦配副的結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。 此外，弓網(wǎng)系統(tǒng)載流摩擦過程中最主要的失效行為是電弧燒蝕磨損， 目前的研究也主要集中在于電弧的測量上， 包括產(chǎn)生電弧的時間、頻率、電弧放電能量等，可以對載流質(zhì)量的衡量方式進(jìn)行創(chuàng)新。