电气工程学报, 2023, 18(3): 2-17 doi: 10.11985/2023.03.002

特邀专栏：电气化交通中的高压绝缘与防护新技术

轨道交通滑动电接触材料的研究进展*

王向飞,, 高国强,, 杨泽锋, 贺书航, 马亚光, 董克亮, 魏文赋, 吴广宁

西南交通大学电气工程学院 成都 610031

Research Progress in Sliding Electrical Contact Materials for Rail Transit

WANG Xiangfei,, GAO Guoqiang,, YANG Zefeng, HE Shuhang, MA Yaguang, DONG Keliang, WEI Wenfu, WU Guangning

School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031

收稿日期: 2023-07-24   修回日期: 2023-08-30  

基金资助: * 国家自然科学基金-联合基金集成(U1966602)
国家优秀青年基金(51922090)

Received: 2023-07-24   Revised: 2023-08-30  

作者简介 About authors

王向飞，男，1996年生，博士研究生。主要研究方向为轨道交通滑动电接触材料。E-mail：xfwang@my.swjtu.edu.cn

高国强，男，1981年生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为电接触系统。E-mail：xnjdggq@163.com

摘要

摩擦副材料是滑动电接触的核心问题和前沿研究热点。接触线和受电弓滑板作为轨道交通电接触中典型的滑动摩擦副，是高速列车获取电能的关键装置，其材料的性能直接影响着弓网电接触系统的受流质量和电力机车的安全稳定运行。目前，随着高速铁路的快速发展，亟需研发综合性能优异的轨道交通弓网滑动电接触材料。本文介绍了轨道交通滑动电接触材料的性能要求，回顾了国内外接触线和受电弓滑板的发展历程，总结了接触线和受电弓滑板材料在制备工艺技术等方面研究进展及存在的问题，展望了轨道交通滑动电接触材料的发展趋势，并提出了未来的研究重点。

关键词： 轨道交通; 滑动电接触; 接触线; 受电弓滑板; 电接触材料

Abstract

The friction material is the core issue of sliding electrical contact and the hot spot of cutting-edge research. As the typical sliding frictional pairs in the electric contact of rail transport, the contact wire and pantograph slide plate are the key devices for high-speed trains to obtain electric energy, and the performance of their materials directly affects the quality of the electric contact system of the bow network and the safe and stable operation of electric locomotives. At present, with the rapid development of high-speed railway, there is an urgent need to research and develop sliding electrical contact materials for rail transit bow network with excellent comprehensive performance. The performance requirements of rail transit sliding electrical contact materials are introduced, the development history of contact wire and pantograph slide plate at home and abroad are reviewed, the research progress and problems in preparation process technology and other aspects of contact wire and pantograph slide plate materials are summarized, the development trend of rail transit sliding electrical contact materials are looked forward and future research focus are put forward.

Keywords： Rail transit; sliding electrical contact; contact wire; pantograph slider; electric contact materials

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王向飞, 高国强, 杨泽锋, 贺书航, 马亚光, 董克亮, 魏文赋, 吴广宁. 轨道交通滑动电接触材料的研究进展*[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 2-17 doi:10.11985/2023.03.002

WANG Xiangfei, GAO Guoqiang, YANG Zefeng, HE Shuhang, MA Yaguang, DONG Keliang, WEI Wenfu, WU Guangning. Research Progress in Sliding Electrical Contact Materials for Rail Transit[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2023, 18(3): 2-17 doi:10.11985/2023.03.002

1 引言

轨道交通是交通运输的主要方式，具有快速、高效、安全和环保等优点，在国家经济发展及国际合作中起着至关重要的作用。截至2022年底，我国铁路营业里程达到15.5万公里，其中高铁4.2万公里，规划至2035年，我国铁路网运营里程达到20万公里左右，高铁总长度将达到7万公里。届时，高速铁路将会为我国国民经济及社会发展注入更加强劲的动力。

滑动电接触不同于其他的电接触方式，是电接触的一种特殊形式，两接触副相对运动而不分离。滑动电接触状态下，接触副的使用寿命和接触界面间的机械电气特性与接触导体的相对运动速度、接触副材料等密切相关[1]。高速列车、城际列车、城市地铁和货运机车等轨道交通电力机车通过滑动电接触方式受流，电力机车运行过程中，受电弓滑板(弓)作为机车获取动力的集电元件，通过直接与接触网导线(网)滑动接触获得电流，供给列车使用，如图1所示。弓网系统作为电力机车获取能量的唯一渠道，其稳定可靠的电接触是保证列车安全运行的前提。而接触副材料是弓网滑动电接触的核心问题，直接影响着弓网电接触系统的可靠运行和电力机车的受流质量。

图1

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图1   轨道交通电力机车的受流方式


随着轨道交通行业的快速发展，弓网电接触问题日益凸显。目前，电力机车的最高运营时速已超400 km，列车运行速度不断提升，受电弓滑板与导线由柔性接触变为刚性接触，弓网系统的运行工况更加复杂。随着铁路向高速、重载的方向发展，电力机车保证高质量受流将面临严峻的挑战[2]。

轨道交通滑动电接触的相关问题引起了学者的广泛关注，针对弓网材料及界面匹配已开展大量研究[3⇓⇓-6]。上海理工大学刘平团队[3-4]针对接触线用Cu-Cr-Zr等高强高导铜合金开展了系统研究，取得了显著的研究成果。西南交通大学吴广宁团队[5-6]针对高速铁路弓网系统开展系统性研究，研制了高性能新型复合材料的受电弓滑板，有效抑制了弓网故障，取得了显著的社会经济效益。

虽然针对弓网滑动电接触方面相关理论和材料的研究成果丰富，但因摩擦副界面匹配关系恶化引起的元件故障问题还时有发生。因此本文整理总结近些年来国内外学者关于弓网滑动电接触材料方面取得的研究成果，理清新型滑动电接触材料的发展趋势，对研究综合性能更加优异的新型滑动电接触材料具有极其重要的意义。

2 轨道交通滑动电接触材料性能要求

滑动电接触状态下伴随着接触元件的摩擦振动、局部高温、电弧放电等物理和化学过程，要求滑动电接触材料应具有良好的导电导热性、耐磨抗冲击性、抗烧蚀性等优异的物理和化学性能[7⇓-9]。轨道交通的弓网受流系统是一种典型的滑动电接触方式，接触网导线和受电弓滑板分别作为静动摩擦副，对其材料性能提出了以下几个方面的要求：电气性能、力学性能、耐磨性能、耐热性能、耐候性能、自清洁性和维护性、防腐蚀性等。

(1) 电气性能：接触导线和滑板需要具备良好的导电性能以满足对电流承载能力的要求，同时，尽可能减小电阻以降低压降和电能的损失。

(2) 力学性能：导线和滑板均需要具备足够的强度和刚度以适应载荷的变化，导线还需要具备较小的线膨胀系数和良好的耐疲劳性能。

(3) 耐磨性能：滑板材料应具备一定的自润滑性能，减小滑板自身的磨损和对导线的磨损，延长弓网服役寿命。

(4) 耐热性能：列车运行过程中，弓网离线出现的电弧会烧蚀导线和滑板。因此，要求导线具有良好的软化温度，滑板具有较高的抗电弧烧蚀性能。

(5) 耐候性能：导线和滑板长期暴露在环境中，须具备一定的耐候性。此外，导线需要具备一定的防腐蚀能力，减少大气中的水分、氧化物和污染物等对导线的腐蚀作用。

京沪线的可行性研究中对接触线的性能提出了很高的要求，具体参数如表1所示[10]。根据表1中的参数，现阶段的接触线性能仍难以全部满足。且随着高速铁路速度的进一步提升，弓网关系成为制约高速铁路发展的关键问题。导线和滑板的选材和设计需要考虑接触副材料的要求，同时，还应满足相关的安全标准和规定，以确保列车和乘客的安全。

表1   京沪线接触线性能要求[10]

接触线参数备注
张力/kN25~30设计计算假设条件如下：
① 安全系数为2.2；
② 张力差为10%；
③ 张截为120 mm2
密度/(kg·mm-2)1.1~1.2
常温抗拉强度/MPa600~700
拉断力/kN70~85
电导率(%)IACS80~95
高温抗拉强度下降率(%)10.0
耐磨、耐腐蚀性与铜接触线相当

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3 接触网导线材料

自1881年出现第一条由弓网系统供电的电气化铁路以来，世界电气化铁路发展至今已有140余年的历史。1945年，我国第一条电气化铁路——宝成铁路开通运营，经过近八十年的发展，我国铁路已位居世界第一。随着电气化铁路的发展，接触线主要有纯铜接触线、铜合金接触线、复合接触线等，接触线材料的发展历程如图2所示。

图2

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图2   接触线材料的发展历程


3.1 纯铜接触线

纯铜接触线具有良好的导电和耐腐蚀性能。纯铜接触线导电率可高达97.5%IACS，但其强度较低，耐磨性差，抗拉强度一般只有350 MPa，极大地限制了纯铜在接触导线上的应用，故纯铜接触导线仅适宜在200 km/h以下的低速铁路上使用[10]。随着电气化铁路速度的提升，纯铜因软化温度低、耐磨耐热性能差而逐渐被其他材料所代替[2]。

3.2 铜合金接触线

为改善铜的软化温度和抗拉强度，通常在纯铜中添加银、锡、镁、铬、锆等元素，熔炼的合金材料在保证电导率影响较小的情况下，可以大幅提升合金材料的抗拉强度等综合性能。接触线使用的合金主要有铜合金、铜-钢、铜-铝，铜-钢、铜-铝接触线的耐腐蚀性能较差，接触导线使用最多的就是铜合金材料。目前在接触导线上广泛研究的铜合金材料主要有铜银合金、铜锡合金、铜镁合金、铜铬锆合金等。

3.2.1 铜银合金接触线

Ag是一种理化性质较为稳定的贵金属元素，属于固溶强化型合金元素，具有良好的导电和导热性能，对铜银合金的导电率影响较小。在铜中添加适量的银可以形成高电导率、高强度、耐磨耐高温的铜银合金，较纯铜接触线具有更高的耐高温强度[11]。因为Ag析出相在铜合金析出相界面上以原子边缘迁移的方式生长，界面失配位错的存在补偿了壁架的移动和生长，因此可以显著改善接触导线材料的综合性能[12]。德国曾在机车运行速度为250 km/h的Re-250型接触网中使用铜银合金接触线[10]。

铜银合金接触线的电学、力学等综合性能与元素含量、生产方法、成型工艺等息息相关。随着Ag含量增加，Cu-Ag合金界面密度的升高使得电导率下降，合金纤维增加及间距减小使得合金抗拉强度提高，但其强化作用逐渐减弱[13]。Cu-Ag合金挤压变形后的显微组织为等轴晶，再经拉拔后晶粒明显细化，导电率升高，但强度和硬度略有下降[11]。文献[14]采用热处理和拉伸结合的方法对Cu-Ag合金进行强化处理，不仅简化了热处理工艺，还可以制备出综合性能显著增强的形变纤维增强的Cu-Ag 合金。

铜银合金除了铜银材质外还包括铜银锡材质。我国曾在200~250 km/h的线路中普遍使用铜银、铜银锡系列接触导线，研制的Cu-0.04Ag-0.07Sn接触导线抗拉强度和电导率分别达409 MPa和90%IACS[15]。铜银和铜锡银合金接触导线虽然导电率和载流量大，但较纯铜接触导线的强化效果不明显，且Ag属于贵金属，成本高，并不适合大范围使用。

3.2.2 铜锡合金接触线

Sn元素在铜中的固溶度很大，具有固溶强化效应，在铜中添加适量的Sn元素可以提高铜合金的强度、硬度和耐腐蚀性能。相比Cu-Ag合金导线，添加Sn元素形成的Cu-Sn合金接触导线的制造工艺简单，成品率较高，价格便宜。铜锡合金接触线曾在电气化铁路上广泛使用，日本接触导线主要就以铜锡合金为主，1997年，日本利用铜锡合金接触线，实现了300 km/h的目标[16]。

针对铜锡合金接触线的生产工艺已开展大量研究。Sn元素的含量明显影响铜锡接触线的性能，Sn元素质量分数为0.050%~0.300%时，铜锡接触线导电率和抗拉强度随着Sn元素含量增加分别减小和增大，图3所示为Sn元素对铜锡合金导电率和抗拉强度的影响[17]。Sn元素质量分数为0.050%时，铜锡接触线导电率为91.3%IACS，抗拉强度为432 MPa；Sn元素质量分数为0.300%时，接触线的导电率为78.8%IACS，抗拉强度为454 MPa。成形工艺对铜锡合金接触线的性能有着显著影响。通过SCR连铸连轧法生产出的铜锡合金接触线抗拉强度为450 N/mm2，伸长率为4.2%，电阻率为0.216 3×10-8 Ω·mm2/m [18]。文献[19]通过比较不同成形工艺的铜锡合金接触线，确定连铸连挤连轧3道次连拉成形为最佳工艺，成形接触线的抗拉强度为538 MPa，伸长率为12%，电阻率为2.360×10-8 Ω·m，满足电气化铁路的使用要求。

图3

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图3   Sn元素对铜锡合金导电率和抗拉强度的影响[17]


虽然铜锡合金接触线制造工艺简单，成本低且成品率高，经济性好，但相较于铜银合金，铜锡合金的耐腐蚀性较差，会导致接触网的寿命缩短。此外，铜锡合金的接触网导线的热膨胀系数较大，容易出现热应力和热裂纹等问题，影响导线的稳定性和可靠性。

3.2.3 铜镁合金接触线

Mg元素的添加会大幅增加铜镁合金的抗拉强度，铜镁合金具有高强度、高硬度、高温稳定性以及良好的耐磨性、耐腐蚀性能和导电性能，较铜锡和铜银合金接触线具有更优的综合性能。德国在时速300 km/h以上的Re330接触网中采用铜镁合金接触线，抗拉强度可以达到500 MPa，且最高时速可达400 km/h，开创了铜镁合金接触线在高速运行线路上取得成功的经验[20]。中国铁建电气化局集团有限公司通过改进生产工艺采用上引连续挤压工艺，生产出性能指标明显提高的超细晶强化型铜镁合金接触线，抗拉强度为560 MPa，导电率为65%以上，性能超过国外同类产品[21]。目前，铜镁合金接触线在高速铁路广泛应用，我国速度300 km/h高速铁路全部采用铜镁合金接触线[21]。

一般地，铜镁合金接触线中Mg含量多维持在0.4%左右，且多采用特殊加工手段以兼顾铜合金高强度、高导电性的重要性能[22]，当镁的含量超过0.7%时接触线生产过程中容易发生碎断[23]。有研究[17]表明，当Mg元素的质量分数为0.025%时，铜镁接触线的导电率和抗拉强度分别为98.0%IACS和420 MPa，Mg元素的质量分数为0.580%时，铜镁接触线的导电率和抗拉强度分别为63.5%IACS和580 MPa，图4所示为Mg元素对铜镁合金导电率和抗拉强度的影响。对比图3与图4可知，镁元素的含量对铜镁合金导线性能的影响规律与Sn元素对铜锡接触线的影响规律一致。但相同抗拉强度下，铜锡合金的导电率更高，与铜锡合金相比，相同导电率的铜镁合金则可以获得更高的抗拉强度，等含量的Sn元素对合金导电率的影响比Mg小[17]。

图4

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图4   Mg元素对铜镁合金导电率和抗拉强度的影响[17]


镁易氧化烧损，使得铜镁接触线的熔炼铸造难度较大，制造工艺更加复杂。针对铜镁合金接触线的加工工艺已有大量研究[24⇓⇓⇓⇓-29]。文献[24]对不同工艺参数下的上引连铸铜镁合金杆的微观组织进行研究，发现上引速度过快、冷却强度过大或过小均会导致铜镁合金晶粒粗大，最终确定了上引速度261 mm/min、冷却强度25~30 L/min为较佳工艺参数。文献[25]通过对Cu-0.3Mg合金棒料连续挤压变形过程进行数值模拟，铜镁合金材料在连续挤压成型加工后晶粒得到显著细化，力学性能得到改善。但袁远等[26-27]采用光学显微镜对Cu-Mg接触线边缘进行观察时发现，接触线边缘出现多条与边缘线轮廓相近的裂纹，并且在Cu-Mg合金接触线的端口发现，拉伸断口出现了分层缺陷，研究发现分层缺陷是连续挤压过程中正压力异常分布所致。针对连续挤压过程中压力异常问题，数值仿真模拟是一种有效的分析手段。文献[28]对Cu-0.3Mg和Cu-0.4Mg合金接触线的热变形行为进行研究，构建了镁铜的稳态流变应力模型和热变形方程，并通过试验和仿真验证了模型的正确性和可靠性。文献[29]基于仿真模拟结果建立了Cu-Mg合金接触线连续挤压接触应力的分布函数，并与实际生产检测验证，总结了提高连续挤压接触应力的有效措施。

就耐腐蚀性能而言，铜银、铜锡、铜镁合金在盐雾腐蚀过程中表面均出现了均匀腐蚀，铜银合金呈条纹状结构，铜锡合金呈粗糙结构，铜镁合金表面还出现了点状局部腐蚀；三种合金系的耐盐雾腐蚀的机制不同，年化腐蚀速率为同一水平，铜镁合金的耐腐蚀性能略差于铜银、铜锡合金[30]。

相较于Cu-Ag、Cu-Sn合金接触线，Cu-Mg合金接触线的性能更加优异，但因镁元素的易氧化烧蚀，其加工工艺也最为复杂困难。此外，随着高速铁路速度的进一步提升，铜镁合金接触线将不能满足电气化铁路对接触线性能的要求，铜铬锆合金接触线得以研究开发。

3.2.4 铜铬锆合金接触线

Cr元素具有高度的抗腐蚀性和耐热性，合金中添加Cr元素可以显著提高合金的耐热性能，有研究表明，铜银合金中加入0.11%的Cr后，合金软化温度提高了110 ℃[4]。相较于Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-Mg合金，Cu-Cr系合金具有更优的综合性能。Cu-Cr系合金属于时效析出强化型合金，Cr作为弥散析出的强化项，Cu-Cr合金强度的提高主要依赖于Cr相的析出[31]。但Cr元素在铜中的固溶度很小，多余的Cr不能进入Cu基体，不能起到固溶作用，对合金性能的影响有限[32]。为此，在Cu-Cr合金中添加Zr元素，可以提高Cu-Cr系合金的综合性能。Cu-Cr系合金中加入少量Zr元素后，在合金中同时存在Cr和Zr析出相，两种析出相交互作用，使得析出相由片状变为颗粒状，析出相变得细小，从而改善了合金的强度和硬度[33]。Cr、Zr元素的加入，一方面产生极强的弥散强化效果，提高铜合金的强度，另一方面使得电子的运动阻力增加，有效电子数减少，造成电导率降低[34]。铜铬锆合金接触线以其高强高导(≥560 MPa、≥75%IACS)的特点被广泛地应用于轨道交通领域。

Cr、Zr含量影响Cu-Cr-Zr合金的力学性能和电导率。随着元素Cr或Zr含量的增加，铸态和时效态的Cu-Cr-Zr合金的硬度和抗拉强度均增大，延伸率和电导率减小，但经过时效处理，更多的Cr和Zr元素从Cu基体中析出，使得合金的导电率和硬度提高。文献[35]表明，经热挤后Cr含量为0.86%的合金经固溶时效后抗拉强度达到最大，为431.7 MPa，且电导率达到79.3%IACS。此外，以Cu60Zr40中间合金的方式加入元素Zr，合金的组织和成分更均匀，铜基体中可以熔入更多的Cr和Zr[36]。

Cr和Zr的密度小于Cu，熔点较Cu高出近800 ℃，且Zr极易被氧化，熔炼时Cr和Zr悬浮在Cu液表面，烧蚀量大，难以溶入Cu基体，所以常用真空熔炼法制备Cu-Cr-Zr合金[37]。但陶业卿等[38]利用中频感应炉在大气条件下熔炼制备了高强高导的Cu-0.77Cr-0.45Zr合金，铸态下显微硬度为92HV，导电率为53%IACS，经后续加工处理，显微硬度达170HV、导电率为78%IACS。

时效析出型强化合金的性能与时效、温度以及工艺流程等密切相关[39⇓⇓-42]。文献[39]就固溶阶段的合金性开展研究，Cu-Cr-Zr合金最合理的固溶温度为950 ℃，120 min固溶基本完成，此时仅固溶阶段合金的硬度为58.9HBS，导电率为50%IACS。文献[40]表明，Cu-Cr-Zr合金80%冷变形后最大的电导率比初始电导率提高约一倍，且变形量越大，合金的电导率越高。Cu-Cr-Zr合金经450 ℃时效1 h后形成了块状Cr和Cu4Zr析出物，可以显著提高合金的力学性能和电学性能，Cu-0.98Cr-0.057Zr合金在室温下压制95%并经过时效处理后，抗拉强度为669.1 MPa，导电率为74.5%IACS。Cu-1.0Cr-0.1Zr合金经过180 min 430 ℃时效获得最佳综合性能，导电率为85.86%IACS，硬度为176.54HV，抗拉强度为552 MPa[39]。此外，等通道角挤压(Equal channel angular pressing, ECAP)技术可以有效地增强合金强度，ECAP过程中，晶粒细化与位错硬化共同作用，Cu-Cr-Zr合金的强度显著提高[41]。文献[42]经6道次ECAP+450℃/1h时效处理，制备的Cu-0.5Cr-0.16Zr合金接触线强度为903 MPa，硬度为280HV，电导率为73.6%IACS，软化温度为580 ℃。

对Cu-Cr-Zr系合金接触线而言，已经出现了性能更优的高强高导型(≥580 MPa、≥80%IACS)、中强高导型(≥480 MPa、≥88%IACS)等多个系列[43]。Cu-Cr-Zr合金虽然具有优异的综合性能，但Zr元素在Cu-Cr-Zr合金的制备过程中的烧损和成分不稳定问题是关键的技术难点，成分不稳定问题主要是由于Zr与Cu等元素发生化学反应导致的[44]。为解决这些问题，目前，已有学者开展代替Zr元素合金的开发研究[45-46]。随着进一步的研究和发展，Cu-Cr-Zr合金及其替代合金接触线具有极大的发展潜力，有望在更高速铁路接触网上大范围应用。

3.3 复合接触线

考虑到铜的成本和资源问题，早在20世纪40年代末，法国开始利用铝的良好导电性和钢的耐磨性研制了钢铝接触线，波兰也在50年代试制了S100/215型钢铝接触线，但低碳钢的耐腐蚀性能较差。我国在20世纪60年代初研制仿波兰上、下复合结构的钢铝接触线GLCA-100/215，选择10Cu钢或10PCuRe(D)钢并通过添加磷使得钢的耐腐蚀性能有了较大的改善，1989年我国开通的电气化铁路中有一半为钢铝接触线，代表型号是CGLW215。1978年前后，我国开始研制了代表规格型号为CGLHD260的钢-铝-铝合金复合接触线，具有载流量大等优点。但钢铝接触线因断面结构不合理，抗盐雾和大气腐蚀的性能较差，接头多、易断裂，接触网的可靠性差等原因被铝包钢接触线取代[1,47]。

铝包钢接触线是采用包覆技术用铝将钢包覆形成的复合接触线。日本生产的TA-196型铝包钢接触导线和我国改进生产的CGLN-250型铝内包梯形钢接触导线的拉断力分别为68.6 kN和54 kN，满足准高速铁路和高速铁路的要求，但因其导电性差被导电率更高的铜包钢接触线逐渐替代[48]。

1987年，日本采用热浸涂工艺成功研制出110 mm2的GT-CS和GT-CSD铜包钢接触线，1990年挂线试用，列车运行速度达到275 km/h，1993年试验速度达到425 km/h，并在时速300公里的高速铁路中投入使用，铜与复合导线截面积之比(简称铜复比)分别为60%和80%左右[49]。铜包钢接触线的铜与复合接触面之比可在20%~85%变化，故可制得不同导电率和强度相匹配的接触线，抗拉强度和电导率可在650~490 MPa和60%~80%IACS之间。铜包钢接触线还具有耐热、耐磨性能好等优点，寿命也较铜接触线有所提升，钢铝、铜包钢复合接触线的主要技术指标如表2所示[2]。

表2   钢铝、铜包钢复合接触线的主要技术指标[2]

接触导线的种类抗拉强度/MPa电导率(% IACS)
GLCA-100/215≥182≥43.6
CGLN-250(钢铝)≥216≥46.3
TA-196(钢铝)≥350≥46.5
GT-CS110≥655≥60.2
GT-CSD110≥493≥81.1

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3.4 稀土元素对接触线性能的影响

稀土是La、Ce等一组元素的统称，具有典型的金属性质，并且化学性质活泼，有脱氧、除气和去杂的作用。稀土元素一般几乎不固溶于铜，但稀土元素能够与铜合金中的氧、硫、铅、铋等反应生成高熔点的化合物，消除有害杂质的影响，抑制纳米析出相的长大等行为，有效细化了合金晶粒，使其大小更加均匀，提高合金的延伸率、抗拉强度和导电性能[50-51]。

微量的Ce元素对铜银接触线的性能有着显著影响[52]，Cu-0.1%Ag合金中加入0.056%的Ce可明显提高铜银合金的强度，软化温度提高约35%，综合性能显著提高，具有良好的耐热性[4]。添加0.2wt.% Ce的Cu-Ag合金的极限抗拉强度最大，添加1.0wt.% Ce的Cu-Ag-RE合金由于晶粒细化和析出硬化而具有更好的综合力学性能[53]。较常规生产的Cu-Sn合金接触线，加入微量稀土元素后的Cu-Sn-Re合金接触线的综合性能大幅提升，抗拉强度达到446 MPa，导电率为84.5%IACS[54]。合金加工过程中，动态再结晶在高温热变形过程中占主导地位。而加入微量元素Ce、Y可以增加合金临界应变并延迟了动态再结晶的发生，使得合金晶粒细化，提高合金的流变应力和硬度，Ce、Y分别将Cu-Mg合金的活化能提高27%和35%[55]。多种稀土元素的加入使得合金具有更优的性能。文献[56]对比分析Ge、La、Y和混合稀土(Ge+Y)对Cu-Cr-Zr合金抗软化性能的影响，稀土元素对合金的抗软化性能均有改善，以混合稀土(Ge+Y)最为明显，可将合金的软化温度提高30~40 ℃。

稀土元素虽然可以改善合金的综合性能，但稀土的加入要适量，否则会形成脆性化合物，降低导电性[57-58]。文献[58]指出，稀土元素含量小于0.08%时，稀土起到净化作用，可提高铜合金导电性，但超过0.08%时，残留量过多，形成分布不均匀的大块脆性化合物，使得铜的电阻率增大，导电性下降。

4 受电弓滑板材料

国内外高速铁路发展至今，受电弓滑板均经历了如图5所示的金属滑板、纯碳滑板、粉末冶金滑板、浸金属碳滑板和碳基复合材料滑板等几个发展历程[5]。为适应高速铁路的发展，滑板材料已进入多元化的发展阶段，新型滑板材料层出不穷，在保证高导电率的前提下，提高滑板的耐烧蚀、抗冲击以及滑板自身和对接触线的小磨耗是一直以来的研究重点。

图5

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图5   受电弓滑板材料的发展历程


4.1 金属滑板

我国、日本和澳大利亚最初使用金属纯铜作为受电弓滑板材料。纯铜滑板的组分均为铜，制备工艺简单、成本低、力学强度高、导电性优异，但与同为金属材质的接触网导线亲和力大，容易引起粘着磨损，导线滑板间的摩擦磨耗严重。为节约铜资源，日本从1925年开始使用碳素滑板[59]。我国和法国的TGV曾也使用软钢作为滑板材料，因其对接触网导线磨耗严重已被淘汰[60]。目前纯金属的滑板由于磨耗严重已被具有自润滑性能的纯碳材料和浸金属碳材料滑板所替代。

4.2 纯碳滑板

日本从1925年开始使用碳素滑板，法国TGV后来也弃用钢滑板，开始使用碳素滑板，德国的ICE自1991年运行以来就使用纯碳素滑板。英国开发的纯碳素滑板电阻率低、强度高，磨耗率为2.5~5.4 mm/万机车公里[61]。为提高纯碳滑板的导电性，日本曾采用金属喷涂法将细铜丝屑和粉末等混合后喷涂于石墨滑板表面来提高石墨滑板的韧性和降低电阻[62]。碳滑板降低了导线的磨耗，延长了导线的使用寿命，但其长时工况下的滑板磨损不均匀，弓网离线率增大，加剧了滑板的电气损伤，同时，纯碳滑板的力学强度较低，在振动冲击作用下易出现开裂掉块现象，限制了其使用范围[60-61]。

1967年我国改用纯碳滑板。针对碳滑板力学强度低的问题，我国研发了铝包碳滑板，为增加碳条强度，用挤压的铝合金框与整根碳条粘结，电阻率低的铝材主要起导流的作用[63]。重庆西机务段在川黔线和成渝线上进行了运行试验，铝包碳滑板具有较强的抗冲击能力，但“偏磨”、“碳缺”和“打弓”造成的滑板非正常失效严重[64]。

国防科技大学针对受电弓滑板的磨损问题开展研究，研发了轻质高碳-石墨/铝复合材料的新型滑板。该滑板将碳条和铝托合为一体，一次工艺成形，强度主要由铝承担，碳-石墨含量可根据需要自由设计，这样可以提高滑板材料的润滑性能，减少对接触网导线的磨耗，同时，该复合工艺支持滑板长度方向上的非均匀化处理，降低成本[65]。

4.3 粉末冶金滑板

1965年，我国研制了第一批粉末冶金滑板，因其在使用过程中可以不断生成润滑膜，降低摩擦副间的摩擦因数，自身磨耗不大，对导线的磨耗也小，在20世纪80年代初，粉末冶金滑板成为我国的定性产品[61]。粉末冶金滑板主要分为铁基和铜基两种，铁基的多用于钢铝导线，铜基的主要用于铜导线。

电气化铁路初期，我国钢铝导线采用铁基粉末冶金滑板，经不断改进后，两者匹配合理。但在铜导线区段，以FDB-I型为例的铁基粉末冶金滑板由于材质硬度大，会对铜接触导线的产生非正常磨耗[66]。为解决铁基粉末冶金滑板在铜接触导线上的非正常磨耗及碳滑板的碎裂问题，研制了铜基粉末冶金滑板。后为减少导线的磨耗，提高滑板的使用寿命，进一步改善为机械复合式铜基粉末冶金滑板。

机械复合式铜基粉末冶金滑板是加装了固体润滑剂的铜基粉末冶金滑板，固体润滑剂一般采用铝板燕尾嵌入式加螺栓固定式的安装方式，BC-250型机械复合式铜基粉末冶金滑板不会加剧铜接触网导线的磨耗，满足使用寿命的要求[67]。文献[68]设计了双润滑铜基粉末冶金滑板，适用于各种型号的铝包钢接触线。文献[69]以石墨、MoS2为润滑组元，以特殊的高分子材料为粘结剂制备金属基受电弓用固体润滑剂，使用后铜质导线的磨耗为0.153 mm2/万架弓次，降低了50%以上，滑板磨耗小于0.1 mm/106 m，使用寿命可以延长2倍。

日本从1951年开始出现粉末冶金滑板，并逐渐发展为主流产品。新干线开通前主要使用的是铜基粉末冶金滑板，新干线开通后铜系烧结合金、铜系铸造合金和铁系烧结合金同时使用，以铁系烧结合金最多，铜系烧结合金次之[60]。为降低铜系、铁系粉末冶金滑板对接触网导线的磨耗，在铜系和铁系烧结合金中普遍加入了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的运行速度下，其厚度磨耗率为0.2~0.6 mm/(×103 km)，体积磨耗率为4~1l cm3/(×103 km)[61]。铁系合金的基体成分为铁、镍、铜等，硬质成分为钼铁合金、铬铁合金等，铜系合金的基体成分有铜、锡，硬质成分有铁、钼铁合金等，润滑成分均为碳、铅等[70]，铜基粉末冶金滑板的工艺流程如图6所示。随着新干线的运行，合金材料不能满足受电元件耐磨的需求，因此，将炭和金属纤维等混合烧结制成混合型炭材料，混合型炭材料电阻小、强度大，但对接触导线的磨耗依然较大[71]。

图6

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图6   铜基粉末冶金滑板的工艺流程[70]


4.4 浸金属滑板

20世纪80年代，日本开始浸金属碳材料研究，研制的P/NA616-5浸金属碳材料密度为2.9 g·cm-3，肖氏硬度为83~89，电阻率为3.34~4.15 μΩ·m[71]。

20世纪60年代，我国就开始浸渍金属的相关研究，80年代已具备一定的水平。20世纪90年代初，我国高速电力机车开始采用浸金属碳滑板，由中国铁道科学研究院和哈尔滨电碳厂研制的浸金属碳材料达到技术标准的要求，对铜接触导线的磨耗为粉末冶金滑板的1/5[72]。四川某单位联合研制的C26P型浸金属碳材料的硬度为93.5HS，电阻率为7.5 μΩ·m，抗折强度为103.5 MPa，抗压强度为370 MPa，除抗压强度外其他性能达到或接近英国的MY7D型材料的性能[71]，具体参数对比如表3所示。为更好地适用铜导线或铜与钢铝导线混架区段，中国铁道科学研究院等单位研制了铝包复合型浸金属碳滑板(SAC)，SCA型铝包浸金属碳滑板以碳石墨材料为基体，高温高压浸渍熔融金属后包上铝外壳制得。经反复试验证明铝包复合型浸金属碳滑板对导线磨耗小，耐冲击、耐磨、自身使用寿命长等优点[63,66]。近年来，国内受电弓滑板制作技术发展迅速，哈尔滨电碳有限责任公司研制的金属浸渍碳滑板已实现规模化、企业化生产，并在北京铁路局正式应用。目前国内研制的金属浸渍碳滑板在货运铁路中得到了广泛的应用，进口的金属浸渍碳滑板已逐渐被替代。

表3   C26P与MY7D的性能比较[71]

国别型号密度/ (g·cm-3)硬度 HS电阻率/ (μΩ·m)抗折强度/ MPa抗压强度/ MPa
中国C26P2.74~3.2593.57.5103.5370
英国MY7D2.4968113420

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浸金属碳滑板的制备一般先采用纯碳滑板的制备工艺制得多孔碳坯料作为碳基体，然后将铜或铜合金浸入碳基体中，得到浸金属碳材料。铜在碳基体中呈现空间网状分布，可以大幅度降低碳基体中的孔隙率，同时，形成的空间金属骨架结构具有更优的硬度，起到增强抗冲击的作用，此外，铜的高导电性使得浸金属碳材料的导电性能大幅增加[73]。部分学者还研究用铝或铝合金浸渍碳基体，制备轻量化的浸金属碳滑板[74]。

常用熔渗工艺将铜或铜合金浸入碳基体，根据工艺中压力的不同可分为压力浸渍、无压熔渗和负压渗透[75-76]。但因铜/碳间的自然浸润性差，铜熔液不易浸入碳基体，且界面结合力很差，制约了材料的机械电气综合性能[76]。为此，引入具有良好湿润性的碳化物以改善碳/铜界面的湿润性，提高金属熔液在碳基体中的浸渍量[77-78]。常用的引入湿润性的碳化物方法有两种，一种是通过加入Ti和Cr等元素与预制体发生反应生成具有良好湿润性的TiC和Cr2C3等湿润性碳化物[79]，但加入过量钛生成的TiC阻塞C/C上的孔洞，降低了渗透效果[80]；另一种是通过在碳基体表面制备具有良好润湿性的Mo2C涂层以更加均匀地浸润铜熔液[81]。文献[82]通过有限元数值模拟Mo2C晶粒增强的多孔石墨基体中铜熔体的二维渗流过程，研究了Mo2C晶粒尺寸、体积分数对铜熔体的渗流行为及复合材料气孔率的影响规律，图7所示为铜/石墨体系和铜/石墨/Mo2C体系的浸渗过程中流体的压力场对比，图7中标记的①~⑤分别对应流体压强等于0.1~0.5 MPa的五个点，可以看出经Mo2C改性后驱替压力的平均传递长度约向前推进了30 μm。此外，ZUO等[83-84]通过试验和仿真等手段，研究了活性元素Fe、B改善碳/铜湿润性以及合成的Fe3C、B4C化合物对界面演化的影响机理，制备了力学性能优异的碳/铜复合材料。

图7

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图7   流体的压力场对比


目前，浸金属滑板的制备技术比较成熟，且在我国电力机车受电弓领域占主导地位。但当前的浸金属碳滑板制备工艺复杂、生产成本和维护成本较高，且随着高速列车运行速度等级的不断提升，浸金属碳滑板也出现了开裂、掉块等情况。因此，以碳纤维增强碳基复合材料为代表的新型受电弓滑板得以研发。

4.5 新型材料滑板

4.5.1 碳纤维增强碳基复合材料滑板

碳纤维具有良好的自润滑性和减磨性能，电导率为1.0×10-3~1.0×10-2 Ω·cm，是优异的增强相材料，在影响材料导电性能不大的情况下可以极大地增强材料的强度，碳纤维复合材料滑板的冲击强度比浸金属碳滑板提高近10倍[85]。此外，碳纤维复合材料还具有良好的耐烧蚀性能和耐腐蚀性能。纤维增强受电弓滑板材料的制备工艺主要包括破碎研磨、筛粉、混捏、轧片、液压成型和烧结碳化，制备工艺流程如图8所示。

图8

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图8   纤维增强受电弓滑板材料的制备工艺流程


纤维含量和纤维长度对材料的导电率、强度及摩擦性能有显著影响。总体上，随着碳纤维含量的增加，材料的电阻率增大，但冲击强度增强；随着纤维长度的增加，材料的摩擦因数增大，但磨损率减小，冲击强度增大[86]。日本久保田喜雄等[87]针对新干线车辆用C/C复合材料滑板开展磨损试验研究，C/C复合材料滑板在速度为400 km/h条件下显示出稳定的耐磨性能，同时，拉长应力沿碳纤维取向方向作用时，C/C复合材料滑板的预设断裂韧性是普通石墨材料的5倍，是新干线用烧结合金滑板的一半，但由于长纤维强化材料具有较强的各向异性，应用时需要掌握实际的载荷，针对预想的应力载荷方向对碳纤维进行适当的配置。

我国研制的JM-1型碳纤维增强型碳基复合材料的抗冲击强度为3.8 J/cm2，导线磨损率为0.007 7 mm2/万架次，材料使用寿命达(8~10)×104 km，导线和滑板寿命分别是铝包浸金属碳SAC材料和浸金属碳C3070材料的2倍和1倍[72]。东北大学杨连威等[88]利用铜、碳纤维、石墨和添加剂等材料，采用粉末冶金法研制出性能优良的受电弓碳滑板，与C26型碳滑板和C26P型浸金属碳滑板相比，该滑板材料的电导率分别提高了87倍和27倍，抗冲击性分别提高了9.6倍和4.4倍，摩擦因数分别降低了54.5%和16%，磨损量分别减小41%和40%，与德国Rh82Mb型滑板相比，导电性能和抗冲击性分别提高65倍和1.7倍，摩擦因数和磨损量相近。

由于碳纤维表面光滑、吸附性能低，具有疏水性和化学惰性，致使碳纤维和基体间的界面粘结性差，严重影响复合材料的综合性能[89]。为解决碳纤维/基体界面结合问题，需要对碳纤维表面进行改性。一般有酸性修饰[90]、电化学改性[91]、等离子体表面改性[92]、高能辐射改性[93]和表面吸附/生长纳米颗粒[94]等碳纤维表面改性技术，文献[95]详细综述了碳纤维表面改性技术和碳纤维/聚合物界面粘结方面的研究进展。预氧化碳纤维具有丰富活性官能团，将其引入可显著改善碳-碳复合材料的界面结构完整性，提高复合材料的力学、热学等性能[96-97]。此外，有学者借鉴树根仿生学，设计了碳滑板根系互锁结构，制备了具有仿生结构的碳纤维增强碳基复合材料的碳滑板，具有良好的力学、电学和热学性能，抗压和抗折强度分别达到158.33 MPa、36.65 MPa[98]，根系仿生结构示意图如图9所示。

图9

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图9   根系仿生结构示意图[98]


相较于纯碳滑板，碳基复合材料滑板拥有更好的力学强度，并且更耐冲击；与浸金属碳滑板相比，它拥有更轻的质量，更好的经济性，更耐冲击，对导线磨损更小，并且不易产生弓网电弧。因此，碳基复合材料应用于受电弓滑板材料展现了良好的应用前景，有望将来在轨道交通领域推广使用。

4.5.2 多元碳化物复合材料滑板

多元碳化物复合材料(MCC)是以MAX相碳化物导电陶瓷为原料研制的一系列新型材料，MAX相碳化物导电陶瓷以钛硅碳(Ti3SiC2)、钛铝碳(Ti3AlC2)为代表，是结构、导电和自润滑多功能合一的新型材料，兼具独特的陶瓷性能和金属性能，具有低热膨胀系数、高强度、良好的耐高温、耐腐蚀、抗氧化性能以及优异的导电性能[99⇓-101]等优点。

Ti3SiC2颗粒镀铜可以改善与基体的界面结合性能，提高Ti3SiC2-Cu-C复合材料的导电性、硬度、抗弯强度和耐磨性能，要想进一步提高材料的综合性能，需要有效提高Ti3SiC2颗粒与铜基体间的界面结合力[102-103]。基体中掺杂Ti3SiC2可以起到良好的润滑和弥散强化作用，使制备的MCC滑板材料具备更好的力学性能、电气性能[104]，且对接触线磨损小，可以有效解决碳基滑板开裂、掉块，以及接触线磨损严重的问题。

由于Ti3SiC2粉末制备过程中的纯度限制，目前还处于试验阶段，未大规模生产，且其粉体价格高昂，难以产业化。另外，材料密度比碳滑板高，增加了受电弓的负载损失。因此，仍需要对其进行深入研究，提高其性能稳定性，降低成本，实现产业化。因此，MCC滑板在稳定性进一步提高后，很有可能成为未来超高速列车受电弓滑板的理想选择。

5 结论与展望

滑动电接触是高速列车受流的主要方式，是列车能量供给的唯一途径。本文针对轨道交通弓网滑动电接触系统，回顾总结了接触线和受电弓滑板材料在制备工艺技术等方面的研究进展及存在的问题，并对轨道交通滑动电接触材料的发展趋势进行展望，总结如下。

(1) 接触线材料在继纯铜、铜银合金、铜锡合金、铜镁合金后已发展至铜铬锆合金，接触线材料正逐渐朝着多元化合金的方向发展。现阶段接触网导线以铜镁合金为主，在未来更高速度的轨道交通领域，以性能更加优异的Cu-Cr-Zr合金以及其替代合金为代表的接触线可能被广泛使用。

(2) 电气化铁路经过140余年的发展，接触线制备工艺技术已较为完善成熟。但以Mg、Zr元素为例的易氧化烧损和成分不稳定问题仍是接触线工艺需要简化改进和攻克的关键技术难点。此外，适量稀土的引入可以有效提高合金材料的综合性能。稀土对合金性能的提升和作用机制有待进一步研究，结合改进工艺技术，有效利用稀土元素最大化提升合金性能。

(3) 受电弓滑板经纯金属、炭素、粉末冶金等滑板后，目前浸金属碳滑板因其耐磨损和高导电的性能在高速铁路上广泛使用，但高速冲击作用下仍存在开裂、掉块等问题。碳纤维增强碳基复合材料滑板较浸金属滑板具有更加优异的综合性能，有望代替浸金属滑板成为新一代滑板的选择。

(4) 碳纤维和基体间的界面结合能力作为影响碳纤维增强碳基复合材料性能的关键因素，施胶、等离子体、化学处理和碳纳米管/纳米粒子涂层等多尺度碳纤维的表面改性技术是研究的重点。同样地，浸金属滑板的浸渍工艺中，改善C/Cu界面的湿润性，提高金属熔液的浸渍量是增强浸金属滑板抗冲击等性能的重要研究方向。

(5) MCC滑板是以Ti3SiC2碳化物导电陶瓷为代表的新型滑板，具有高强度、耐烧蚀、耐磨损等性能。但受其制备工艺的限制，目前处于试验阶段，是当前研究的热点，在技术成熟能够降低成本，实现产业化后，是一种理想的滑板材料。

参考文献

YANG Xingzu, LI Shuaibing, CUI Yi, et al.

Measurement and interpretation of the effect of electrical sliding speed on contact characteristics of on-load tap changers

[J]. Coatings, 2022, 12(10):1436.

DOI:10.3390/coatings12101436      URL     [本文引用: 2]

This paper analyzes the effect of sliding speed on the electrical conductivity and friction properties of the contact pair of an on-load tap changer (OLTC). Reciprocating current-carrying tribological tests were carried out on a rod–plate–copper–tin–copper contact galvanic couple at different sliding speeds in air and insulating oil media. The results show that as the sliding speed increases from 24 mm/s to 119 mm/s, the average contact resistance in air increases from 0.2 Ω to 0.276 Ω, and the average contact resistance in insulating oil also increases from 0.2 Ω to 0.267 Ω. At 119 mm/s, the maximum contact resistance in insulating oil reaches 0.3 Ω. The micro-topography images obtained by scanning electron microscopy show that with the increase in sliding speed, the wear mechanisms in the air are mainly abrasive wear and adhesive wear, and the wear mechanisms in oil are mainly layered wear and erosion craters; high sliding speed and arcing promote contact surface fatigue and crack generation. X-ray photoelectron spectroscopy was used to analyze the surface. The copper oxide in the air and the cuprous sulfide in the insulating oil cause the surface film resistance, and the total contact resistance increases accordingly. In addition, the test shows that 119 mm/s in air and 95 mm/s in insulating oil are the speed thresholds. Below these speed thresholds, the increase in contact resistance is mainly caused by mechanical wear. Above these thresholds, the increase in contact resistance is mainly caused by arc erosion and chemical oxidation processes. Non-mechanical factors exacerbate the deterioration of the contact surface and become the main factor for the increase in contact resistance.

丁雨田, 李来军, 许广济, 等.

接触线材料的现状及研究热点

[J]. 电线电缆, 2004(2):3-9.

[本文引用: 4]

DING Yutian, LI Laijun, XU Guangji, et al.

The status-quo of contact wire and popular topics of its research

[J]. Electric Wire & Cable, 2004(2):3-9.

[本文引用: 4]

刘平.

高性能铜基合金的研究进展

[J]. 功能材料, 2014, 45(7):7016-7021,7026.

[本文引用: 2]

LIU Ping.

Progress in research of copper-based alloys with high-performance

[J]. Journal of Functional Materials, 2014, 45(7):7016-7021,7026.

[本文引用: 2]

刘平, 刘喜波, 贾淑果, 等.

微量铈和铬对Cu-0.1Ag合金接触线的性能影响

[J]. 稀有金属, 2006(1):39-42.

[本文引用: 4]

LIU Ping, LIU Xibo, JIA Shuguo, et al.

Effects of adding traces of Ce and Cr on properties of Cu-0.1Ag alloy for contact wires

[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2006(1):39-42.

[本文引用: 4]

吴广宁, 周悦, 雷栋, 等.

弓网电接触研究进展

[J]. 高电压技术, 2016, 42(11):3495-3506.

[本文引用: 3]

WU Guangning, ZHOU Yue, LEI Dong, et al.

Research advances in electric contact between pantograph and catenary

[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(11):3495-3506.

[本文引用: 3]

高国强, 王青松, 何志江, 等.

界面氧化对碳-铜接触副电接触性能的影响

[J/OL]. 中国电机工程学报:1-10[2023-07-23]. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.221877.

[本文引用: 2]

GAO Guoqiang, WANG Qingsong, HE Zhijiang, et al.

Influence of interface oxidation on the electrical contact properties of C-Cu contact pairs

[J/OL]. Proceedings of the CSEE:1-10[2023-07-23]. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.221877.

[本文引用: 2]

谢博华, 鞠鹏飞, 吉利, 等.

电接触材料摩擦学研究进展

[J]. 摩擦学学报, 2019, 39(5):656-668.

[本文引用: 1]

XIE Bohua, JU Pengfei, JI Li, et al.

Research progress on tribology of electrical contact materials

[J]. Tribology, 2019, 39(5):656-668.

[本文引用: 1]

LI Shuaibing, YANG Xingzu, KANG Yongqiang, et al.

Progress on current-carry friction and wear:An overview from measurements to mechanism

[J]. Coatings, 2022, 12(9):1345.

DOI:10.3390/coatings12091345      URL     [本文引用: 1]

As aerospace, electrified railway, weapon equipment manufacturing, and other fields have leapt forward, the operating environment of current-carrying friction pairs is becoming increasingly severe, and research on the current-carrying friction and wear theory and its vital technologies are progressively in demand. This study summarizes the relevant research on the current-carrying friction and wear. In this study, the essential characteristics and classification of current-carrying friction and wear are summarized, the effect of working parameters on current-carrying friction and wear performance is clarified, and the generation mechanism, failure mechanism, and factors of current-carrying friction and wear are emphatically investigated. Moreover, the mechanism of arc generation and the effect of environmental conditions and surface facial masks on the friction and wear process are summarized. This paper also introduces the preparation technology of a conductive wear-resistant self-lubricating material, the main factors affecting the conductive wear-resistant property of the coating, and the action mechanism. The simulation and prediction results of the current-carrying friction and wear temperature field and the wear amount are presented. Finally, the problems in the current-carrying friction and wear research are classified, and future research directions in this field are proposed. The future’s critical development and improvement directions are also proposed from the aspects of developing coating quality evaluation equipment, optimizing the coating quality, and studying the coating self-lubricating mechanisms.

高国强, 向宇, 马亚光, 等.

液态金属在电气领域的应用与展望

[J]. 高电压技术, 2022, 48(11):4243-4254.

[本文引用: 1]

GAO Guoqiang, XIANG Yu, MA Yaguang, et al.

Applications and prospects of liquid metals in the electrical field

[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48(11):4243-4254.

[本文引用: 1]

黄崇祺.

轮轨高速电气化铁路接触网用接触线的研究

[J]. 中国铁道科学, 2001(1):6-10.

[本文引用: 4]

HUANG Chongqi.

On contact wire line used in catenary of high speed wheel-rail electrified railway

[J]. China Railway Science, 2001(1):6-10.

[本文引用: 4]

文姗, 常丽丽, 尚兴军, 等.

铜银合金导线的显微组织与性能

[J]. 中国有色金属学报, 2015, 25(6):1655-1661.

[本文引用: 2]

WEN Shan, CHANG Lili, SHANG Xingjun, et al.

Microstructure and properties of Cu-Ag alloy wire

[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(6):1655-1661.

[本文引用: 2]

PIYAWIT W, XU W, MATHAUDHU S, et al.

Nucleation and growth mechanism of Ag precipitates in a CuAgZr alloy

[J]. Materials Science and Engineering A, 2014, 610:85-90.

DOI:10.1016/j.msea.2014.05.023      URL     [本文引用: 1]

李贵茂, 柳艳, 李延增, 等.

Ag含量对Cu-Ag合金组织及性能影响研究

[J]. 铸造技术, 2018, 39(3):530-532.

[本文引用: 1]

LI Guimao, LIU Yan, LI Yanzeng, et al.

Influence of Ag content on microstructure and properties of Cu-Ag alloys

[J]. Foundry Technology, 2018, 39(3):530-532.

[本文引用: 1]

王英民, 毛大立.

形变纤维增强高强度高电导率的Cu-Ag合金

[J]. 稀有金属材料与工程, 2001(4):295-298.

[本文引用: 1]

WANG Yingmin, MAO Dali.

Deformed fiber streng- thened high-strength and high-conductivity alloy

[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2001(4):295-298.

[本文引用: 1]

王永鹏, 宋克兴, 国秀花, 等.

高速电气化铁路接触导线的应用现状及研究进展

[J]. 热加工工艺, 2009, 38(14):32-35,40.

[本文引用: 1]

WANG Yongpeng, SONG Kexing, GUO Xiuhua, et al.

Application actuality and research progress of contact wire for high-speed electric railway

[J]. Hot Working Technology, 2009, 38(14):32-35,40.

[本文引用: 1]

赵大军, 唐丽, 管桂生.

我国电气化铁道用接触线的现状和发展趋势

[J]. 铁道机车车辆, 2008(5):74-77.

[本文引用: 1]

ZHAO Dajun, TANG Li, GUAN Guisheng.

Current situation and development tendency of Chinese contact wires for electric railway

[J]. Railway Locomotive & Car, 2008(5):74-77.

[本文引用: 1]

张光伟, 官珊丹, 张建波, 等.

铜镁、铜锡合金接触线的制备及组织性能研究

[J]. 上海有色金属, 2015, 36(2):71-74.

[本文引用: 5]

ZHANG Guangwei, GUAN Shandan, ZHANG Jianbo, et al.

Preparation and organization performance of copper-magnesium and copper-tin alloy contact wire

[J]. Nonferrous Metal Materials and Engineering, 2015, 36(2):71-74.

[本文引用: 5]

杨运川.

SCR连铸连轧法制备Cu-Sn接触线工艺及Sn对组织和性能的影响

[J]. 材料导报, 2012, 26(2):86-89.

[本文引用: 1]

YANG Yunchuan.

Cu-Sn contact wire prepared by SCR continuous casting-rolling and the affection of Sn to the microstructure and properties

[J]. Materials Reports, 2012, 26(2):86-89.

[本文引用: 1]

支海军, 徐玉松, 陆敏松, 等.

高速电气化铁道用铜锡合金接触线成形工艺的确定

[J]. 机械工程材料, 2011, 35(10):76-79,94.

[本文引用: 1]

ZHI Haijun, XU Yusong, LU Minsong, et al.

Determination of forming technology of CuSn alloy contact wire used for high-speed electric railway

[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2011, 35(10):76-79,94.

[本文引用: 1]

张强, 王作祥.

铜镁合金接触线的引进与技术自主再创新

[J]. 电气化铁道, 2009(1):23-27.

[本文引用: 1]

ZHANG Qiang, WANG Zuoxiang.

Copper magnesium alloy contact wires importation and technology independent innovation

[J]. Electric Railway, 2009(1):23-27.

[本文引用: 1]

刘轶伦.

高速铁路新型铜镁接触线关键技术

[J]. 铁道机车车辆, 2014, 34(2):112-115.

[本文引用: 2]

LIU Yilun.

The ultra-fine grain strengthened Cu-Mg contact wire of high speed

[J]. Railway Locomotive & Car, 2014, 34(2):112-115.

[本文引用: 2]

HAN K, WALSH R, ISHMAKU A, et al.

High strength and high electrical conductivity bulk Cu

[J]. Philosophical Magazine, 2004, 84(34):3705-3716.

DOI:10.1080/14786430412331293496      URL     [本文引用: 1]

赵媛霞, 刘平, 刘新宽, 等.

高速电气化铁路接触线的研究与应用

[J]. 材料导报, 2012, 26(3):46-50.

[本文引用: 1]

ZHAO Yuanxia, LIU Ping, LIU Xinkuan, et al.

Research progress and application of contact wire for high-speed electric railway

[J]. Materials Reports, 2012, 26(3):46-50.

[本文引用: 1]

孙亚琴, 潘嘉祺, 陈建斌, 等.

工艺参数对上引连铸铜镁合金杆微观组织的影响

[J]. 有色金属工程, 2017, 7(5):16-19.

[本文引用: 2]

SUN Yaqin, PAN Jiaqi, CHEN Jianbin, et al.

Influence of process parameters on microstructure of upward continuous casting Cu-Mg alloy rod

[J]. Nonferrous Metals Engineering, 2017, 7(5):16-19.

[本文引用: 2]

蔡飞飞, 刘新宽, 刘平, 等.

铜镁合金CuMg0.3棒料连续挤压微观组织演变数值模拟分析

[J]. 锻压技术, 2015, 40(3):141-146.

[本文引用: 2]

CAI Feifei, LIU Xinkuan, LIU Ping, et al.

Numerical simulation analysis of microstructure evolution in the continyous extrusion for CuMg0.3 Cu-Mg alloy

[J]. Forging & Stamping Technology, 2015, 40(3):141-146.

[本文引用: 2]

袁远, 陈立明, 张海波, 等.

Cu-Mg合金接触线产品分层缺陷分析

[J]. 矿冶工程, 2019, 39(2):108-110,114.

[本文引用: 2]

YUAN Yuan, CHEN Liming, ZHANG Haibo, et al.

Analysis of delamination defects of Cu-Mg alloy contact wire

[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2019, 39(2):108-110,114.

[本文引用: 2]

何宇, 李学斌, 袁远.

Cu-Mg合金连续挤压成形过程的数值模拟和试验对比分析

[J]. 材料导报, 2017, 31(S1):139-144.

[本文引用: 2]

HE Yu, LI Xuebin, YUAN Yuan.

Numerical simulation and experimental comparison analysis of Cu-Mg alloy continuous extrusion forming process

[J]. Materials Reports, 2017, 31(S1):139-144.

[本文引用: 2]

黄张裕, 赵媛霞.

高速铁路用铜镁合金接触线材料热变形方程及其模拟应用

[J]. 上海有色金属, 2012, 33(4):162-168.

[本文引用: 2]

HUANG Zhangyu, ZHAO Yuanxia.

Hot deformation equation of copper magnesium contact wire for high-speed railway and the application in simulation

[J]. Nonferrous Metal Materials and Engineering, 2012, 33(4):162-168.

[本文引用: 2]

何宇.

Cu-Mg合金接触线连续挤压接触应力分布函数的建立

[J]. 材料导报, 2017, 31(S2):489-494.

[本文引用: 2]

HE Yu.

Establishment of contact stresses distribution function for Cu-Mg alloy contact wire continuous extrusion

[J]. Materials Reports, 2017, 31(S2):489-494.

[本文引用: 2]

王远东.

电气化铁路用铜合金接触线耐蚀性能研究

[J]. 有色金属加工, 2022, 51(2):35-38.

[本文引用: 1]

WANG Yuandong.

Study on corrosion resistance of copper alloy contact wire used in electrified railway

[J]. Nonferrous Metals Processing, 2022, 51(2):35-38.

[本文引用: 1]

张小平. 高强高导Cu-Cr-In合金的组织与性能研究[D]. 赣州: 江西理工大学, 2015.

[本文引用: 1]

ZHANG Xiaoping. Organisation and properties of high strength and high conductivity Cu-Cr-In alloys[D]. Ganzhou: Jiangxi University of Science and Technology, 2015.

[本文引用: 1]

TAKEUCHI T, TOGANO K, INOUE K, et al.

Fibrous chromium and molybdenum fabricated by cold working Cu-Cr and Cu-Mo binary alloys

[J]. Journal of the Less Common Metals, 1990, 157(1):25-35.

DOI:10.1016/0022-5088(90)90403-7      URL     [本文引用: 1]

傅声华, 陆峰, 李询.

IC引线框架用Cu-Cr-Zr系材料的研究现状与发展

[J]. 稀有金属快报, 2008(4):1-6.

[本文引用: 1]

FU Shenghua, LU Feng, LI Xun.

Research status and trends of IC lead frame Cu-Cr-Zr system alloys

[J]. Rare Metals Letters, 2008(4):1-6.

[本文引用: 1]

訾进蕾, 张雅妮, 郑茂盛, 等.

微量元素Cr、Zr对铜合金性能的影响

[J]. 材料开发与应用, 2007(4):1-3,10.

[本文引用: 1]

ZI Jinlei, ZHANG Yani, ZHENG Maosheng, et al.

Effect of microelement Cr and Zr on performance of copper alloy

[J]. Development and Application of Materials, 2007(4):1-3,10.

[本文引用: 1]

王清平. Cr含量对铜铬锆合金性能及组织的影响[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2013.

[本文引用: 1]

WANG Qingping. Studies on the effect of Cr content on microstructure and properties of Cu-Cr-Zr alloy[D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology, 2013.

[本文引用: 1]

陈昱, 杨晓红, 李雪健, 等.

Zr添加方式及加入量对CuCrZr合金组织与性能的影响

[J]. 热加工工艺, 2017, 46(15):90-93,97.

[本文引用: 1]

CHEN Yu, YANG Xiaohong, LI Xuejian, et al.

Effects of addition model and content of Zr on microstructure and properties of CuCrZr alloy

[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(15):90-93,97.

[本文引用: 1]

李明茂, 杨斌, 王智祥.

高强高导CuCrZr合金熔炼技术研究

[J]. 特种铸造及有色合金, 2005(4):252-253,192.

[本文引用: 1]

LI Mingmao, YANG Bin, WANG Zhixiang.

Smelting of high strength and high conductivity CuCrZr alloy

[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2005(4):252-253,192.

[本文引用: 1]

陶业卿, 刘平, 陈小红, 等.

非真空熔炼Cu-Cr-Zr合金的性能研究

[J]. 铸造, 2010, 59(10):1020-1023.

[本文引用: 1]

TAO Yeqing, LIU Ping, CHEN Xiaohong, et al.

Research on non-vacuum melting of Cu-Cr-Zr alloy

[J]. Foundry, 2010, 59(10):1020-1023.

[本文引用: 1]

马玉霞, 党淑娥, 陈慧琴.

固溶处理对Cu-Cr-Zr合金组织与性能的影响

[J]. 金属热处理, 2022, 47(1):163-166.

DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.01.027      [本文引用: 3]

对热轧态Cu-1.0Cr-0.1Zr合金在电阻炉中进行了不同温度不同保温时间的固溶处理,并对固溶后合金的组织与性能进行了检测,分析了固溶温度与时间对该合金组织性能的影响。结果表明:固溶后合金组织性能由回复、再结晶、未溶粒子回溶与晶粒长大综合影响;随固溶温度升高,合金的硬度先大幅下降,后不断上升,而导电率不断下降;随固溶时间的延长,合金的硬度呈抛物线升高并趋于平缓的趋势,导电率的变化则与之相反。在固溶温度为950℃,固溶时间为120 min时,固溶基本完成,此时硬度为58.9 HBS,导电率为50% IACS。

MA Yuxia, DANG Shue, CHEN Huiqin.

Effect of solution treatment on microstructure and properties of Cu-Cr-Zr alloy

[J]. Heat Treatment of Metals, 2022, 47(1):163-166.

DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.01.027      [本文引用: 3]

Hot-rolled Cu-1.0 Cr-0.1 Zr alloy was solid-solution treated in a resistance furnace at different temperatures for different holding time. The microstructure and properties of the solution treated alloy were examined and the effect of solution temperature and holding time on microstructure and properties of the alloy were analyzed. The results show that the microstructure and properties of the alloy after solution treatment are affected by recovery, recrystallization, undissolved particle resolution and grain growth. As the solid solution temperature rises, the hardness of the alloy first drops sharply, and then continues to rise, while the electrical conductivity continues to drop. with the extension of solution time, the hardness of the alloy increases parabolically and tends to be flat, while the change in conductivity is the opposite. When solution treatment at 950℃ for 120 min, the solution is basically completed, and the hardness is 58.9 HBS and the conductivity is 50%IACS.

FU Huadong, XU Sheng, LI Wei, et al.

Effect of rolling and aging processes on microstructure and properties of Cu-Cr-Zr alloy

[J]. Materials Science and Engineering A, 2017, 700:107-115.

DOI:10.1016/j.msea.2017.05.114      URL     [本文引用: 2]

VINOGRADOV A, PATLAN V, SUZUKI Y, et al.

Structure and properties of ultra-fine grain Cu-Cr-Zr alloy produced by equal-channel angular pressing

[J]. Acta Materialia, 2002, 50(7):1639-1651.

DOI:10.1016/S1359-6454(01)00437-2      URL     [本文引用: 2]

许方山. 等径角挤压接触线用Cu-Cr-Zr合金的研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2012.

[本文引用: 2]

XU Fangshan. Study on ECAPed Cu-Cr-Zr alloys applied to the contact line[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2012.

[本文引用: 2]

张剑.

铜铬锆合金接触线在城轨接触网的应用分析

[J]. 电气化铁道, 2016(增刊):85-87.

[本文引用: 1]

ZHANG Jian.

Analysis of the application of copper-chromium-zirconium alloy contact wires in urban railway contact networks

[J]. Electric Railway, 2016(Suppl.):85-87.

[本文引用: 1]

WANG Kun, LIU Kefu, ZHANG Jingbo.

Microstructure and properties of aging Cu-Cr-Zr alloy

[J]. Rare Metals, 2014, 33(2):134-138.

DOI:10.1007/s12598-014-0244-0      URL     [本文引用: 1]

陈世康, 陈小红, 刘平, 等.

高速铁路接触线用高强高导Cu-Cr-Co/Ti合金的组织性能研究

[J]. 有色金属材料与工程, 2020, 41(5):1-8.

[本文引用: 1]

CHEN Shikang, CHEN Xiaohong, LIU Ping, et al.

Study on microstructure and properties of high strength and high conductivity Cu-Cr-Co/Ti alloy for high-speed railway contact wire

[J]. Nonferrous Metal Materials and Engineering, 2020, 41(5):1-8.

[本文引用: 1]

乐顺聪, 郭诚君, 罗欣, 等.

高强高导Cu-Cr-Ti合金加工工艺设计与优化

[J]. 铜业工程, 2019(3):7-11.

[本文引用: 1]

LE Shuncong, GUO Chengjun, LUO Xin, et al.

Process design and optimization of high strength and high conductivity Cu-Cr-Ti alloy

[J]. Copper Engineering, 2019(3):7-11.

[本文引用: 1]

刘来宁.

电力牵引用接触线的沿革及部分特性探讨

[J]. 电线电缆, 1997(1):2-9.

[本文引用: 1]

LIU Laining.

History and some characteristics of contact wires for electric traction applications

[J]. Wire & Cable, 1997(1):2-9.

[本文引用: 1]

张书久, 王会清.

铝包钢丝的生产及使用前景

[J]. 金属制品, 1999(1):7-10.

[本文引用: 1]

ZHANG Shujiu, WANG Huiqing.

Production and using prospects of alcladding steel wire

[J]. Metal Products, 1999(1):7-10.

[本文引用: 1]

运新兵, 宋宝韫, 刘元文, 等.

电气化铁路用铜包钢接触线制造技术

[J]. 有色金属, 2002(3):22-23,35.

[本文引用: 1]

YUN Xinbing, SONG Baoyun, LIU Yuanwen, et al.

Production technology of copper-clad steel contact wire used in electrified railway

[J]. Nonferrous Metals Engineering, 2002(3):22-23,35.

[本文引用: 1]

廖乐杰, 何福忠.

稀土在铜及铜合金中的作用及其应用效果

[J]. 特种铸造及有色合金, 1997(2):54-55.

[本文引用: 1]

LIAO Lejie, HE Fuzhong.

Effect of RE-alloy and its applied result in copper and copper alloy

[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 1997(2):54-55.

[本文引用: 1]

张成功, 乔振兴, 史志铭, 等.

稀土Y对高强高导Cu-Cr-Zr合金组织与性能的影响

[J/OL]. 中国稀土学报:1-11[2023-08-10]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2365.TG.20220920.1711.008.html.

URL     [本文引用: 1]

ZHANG Chenggong, QIAO Zhenxing, SHI Zhiming, et al.

Effect of rare earth Y on microstructure and properties of high strength and high conductivity Cu-Cr-Zr alloy

[J/OL]. Journal of the Chinese Society of Rare Earths:1-11[2023-08-10]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2365.TG.20220920.1711.008.html.

URL     [本文引用: 1]

LIU Xibo, LIU Ping, JIA Shuguo, et al.

Effects of trace Ce and Cr on properties of Cu-0.1Ag alloy

[J]. Heat Treatment of Metals, 2005, 30(Suppl.):238-241.

[本文引用: 1]

CHANG Lili, JIA Bin, LI Shengli, et al.

Influence of cerium on solidification,recrystallization and strengthening of Cu-Ag alloys

[J]. Journal of Rare Earths, 2017, 35(10):1029-1034.

DOI:10.1016/S1002-0721(17)61009-3      URL     [本文引用: 1]

徐玉松, 旷万洪, 陶炳贞.

微量RE对Cu-Sn合金接触线性能的影响

[J]. 热加工工艺, 2017, 46(10):81-85.

[本文引用: 1]

XU Yusong, KUANG Wanhong, TAO Bingzhen.

Effects of trace RE on properties of Cu-Sn alloy contact wire

[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(10):81-85.

[本文引用: 1]

WANG Bingjie, ZHANG Yi, TIAN Baohong.

Effects of Ce and Y addition on microstructure evolution and precipitation of Cu-Mg alloy hot deformation

[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 781:118-130.

DOI:10.1016/j.jallcom.2018.12.022      [本文引用: 1]

The effects of Ce and Y addition on microstructure evolution and precipitation of Cu-Mg alloy hot deformation were investigated by hot compression test in the 500-850 degrees C temperature range and the 0.001-10 s(-1) strain rate range. The influence of rare earth elements on true stress-true strain curves and microstructure evolution of Cu-Mg alloy were obtained, the deformation mechanism under various conditions was defined, and the critical strain of Cu-Mg, Cu-Mg-Ce, and Cu-Mg-Y alloys and the resulting precipitates were determined. Dynamic recrystallization dominated the deformation process at high temperature and low strain rate. Ce and Y significantly delayed dynamic recrystallization and improved flow stress and activation energy of Cu-Mg alloy. The critical strains for Cu-Mg, Cu-Mg-Ce, and Cu-Mg-Y alloys deformed at 700 degrees C and 0.1 s(-1) were calculated to be 0.075, 0.1, and 0.14, respectively. Precipitates appeared in the Cu-Mg-Ce and Cu-Mg-Y alloys deformed at 850 degrees C and 0.001 s(-1), which were determined to be Cu2Mg. In addition, CuP2 phase was found in both Cu-Mg-Ce and Cu-Mg-Y alloys deformed at 800 degrees C and 0.01 s(-1). Precipitates caused dislocation and grain boundary pinning. Furthermore, a large number of twins appeared in the Cu-Mg-Ce and Cu-Mg-Y alloys, which increased the number of grain boundaries and furthered grain refinement. (C) 2018 Elsevier B.V.

李伟, 刘平, 刘勇, 等.

微量稀土元素对Cu-Cr-Zr合金接触线抗软化性能的影响

[J]. 金属热处理, 2005(2):38-40.

[本文引用: 1]

LI Wei, LIU Ping, LIU Yong, et al.

Effect of rarth earth elements on softening resistance of Cu-Cr-Zr alloy touching wire

[J]. Heat Treatment of Metals, 2005(2):38-40.

[本文引用: 1]

姜佳鑫, 温永清.

稀土在铜及铜合金中的作用及应用

[J]. 稀土信息, 2021(5):12-18.

[本文引用: 1]

JIANG Jiaxin, WEN Yongqing.

The role and application of rare earths in copper and copper alloys

[J]. Rare Earth Information, 2021(5):12-18.

[本文引用: 1]

仲伟深, 孙跃军, 张伟强, 等.

提高铜银合金电气化铁路接触线导电性途径的研究

[J]. 铸造, 2001(10):611-613.

[本文引用: 2]

ZHONG Weishen, SUN Yuejun, ZHANG Weiqiang, et al.

Study on the approach to improve the electrical conductivity of touching wire

[J]. Foundry, 2001(10):611-613.

[本文引用: 2]

邵利峰, 韦强, 徐立新, 等.

电力机车受电弓滑板研究进展

[J]. 材料开发与应用, 2008(5):94-96.

[本文引用: 1]

SHAO Lifeng, WEI Qiang, XU Lixin, et al.

Current status and future trends of research on pantograph slide

[J]. Development and Application of Materials, 2008(5):94-96.

[本文引用: 1]

胡建红, 陈敬超, 李强, 等.

电力机车用滑动集电材料的研究及其选用

[J]. 电工材料, 2004(1):38-42.

[本文引用: 3]

HU Jianhong, CHEN Jingchao, LI Qiang, et al.

Select and study on sliding-collecting-current materials in electric locomotive

[J]. Electrical Engineering Materials, 2004(1):38-42.

[本文引用: 3]

王贵青, 陈敬超, 孙加林.

电力机车受电弓滑板的研究状况及发展趋势

[J]. 材料导报, 2003(1):18-20.

[本文引用: 4]

WANG Guiqing, CHEN Jingchao, SUN Jialin.

Current status and future trends of research on pantograph slide

[J]. Materials Reports, 2003(1):18-20.

[本文引用: 4]

松山晋作, 蔡千华.

集电装置材料的演变——受电弓滑板和接触网导线

[J]. 国外机车车辆工艺, 2003(3):1-8.

[本文引用: 1]

MATSUYAMA Shinsaku, CAI Qianhua.

A short history of the materials for current collection-pantograph slider and contact wire

[J]. Foreign Locomotive & Rolling Stock Technology, 2003(3):1-8.

[本文引用: 1]

张秀兰.

电力机车受电弓滑板的调查分析

[J]. 中国铁路, 1996(11):16-17.

[本文引用: 2]

ZHANG Xiulan.

Investigation and analysis of pantograph slide plates in electric locomotives

[J]. China Railway, 1996(11):16-17.

[本文引用: 2]

王绍复.

电力机车铝包碳滑板失效原因分析

[J]. 机车电传动, 1995(5):46-48.

[本文引用: 1]

WANG Shaofu.

Analysis of the causes of failure of aluminium-clad carbon skateboards in electric locomotives

[J]. Electric Drive for Locomotives, 1995(5):46-48.

[本文引用: 1]

卓钺, 刘希从, 文思维, 等.

受电弓滑板用轻质高碳-石墨/铝复合材料

[J]. 机车电传动, 2003(S1):37-38.

[本文引用: 1]

ZHUO Yue, LIU Xicong, WEN Siwei, et al.

Lightweight high carbon-graphite/aluminum composites applied for pantograph contact strips

[J]. Electric Drive for Locomotives, 2003(S1):37-38.

[本文引用: 1]

刘鉴洋.

SAC型铝包复合型浸金属碳滑板

[J]. 铁道机车车辆, 1995(2):37-38.

[本文引用: 2]

LIU Jianyang.

SAC type aluminium-clad composite impregnated metal-carbon skateboards

[J]. Railway Locomotive & Car, 1995(2):37-38.

[本文引用: 2]

杨祖德.

机械复合式受电弓滑板应用研究

[J]. 机车电传动, 1995(3):26-31.

[本文引用: 1]

YANG Zude.

Mechanical composite pantograph slide plate application study

[J]. Electric Drive for Locomotives, 1995(3):26-31.

[本文引用: 1]

陈忠华, 郭凤仪, 董讷, 等.

新型受电弓滑板的设计与实现

[J]. 煤炭科学技术, 2005(3):30-33.

[本文引用: 1]

CHEN Zhonghua, GUO Fengyi, DONG Ne, et al.

Design and practice on new sliding board of bow current collector

[J]. Coal Science and Technology, 2005(3):30-33.

[本文引用: 1]

黄汉忠, 李木林.

固体润滑材料在受电弓滑板上的应用

[J]. 粉末冶金技术, 1997(1):43-45.

[本文引用: 1]

HUANG Hanzhong, LI Mulin.

Application of solid lubricant materials on pantograph slide plates

[J]. Powder Metallurgy Technology, 1997(1):43-45.

[本文引用: 1]

钱中良.

粉末冶金电力机车受电弓滑板的研究概况

[J]. 粉末冶金工业, 2007(4):43-46.

[本文引用: 2]

QIAN Zhongliang.

Research on powder metallurgy pantograph strips for electric locomotive

[J]. Powder Metallurgy Industry, 2007(4):43-46.

[本文引用: 2]

韩苏易, 罗瑞盈, 李密丹, 等.

导电用炭基复合材料的研究进展

[J]. 炭素技术, 2010, 29(5):24-31.

[本文引用: 4]

HAN Suyi, LUO Ruiying, LI Midan, et al.

Progress in conductive carbon-based composites

[J]. Carbon Techniques, 2010, 29(5):24-31.

[本文引用: 4]

侯明, 孙乐民, 李爱娜.

电力机车受电弓滑板的现状

[J]. 粉末冶金技术, 2006(3):223-226.

[本文引用: 2]

HOU Ming, SUN Lemin, LI Aina.

Pantograph slide plates for electric locomotive and their recent development

[J]. Powder Metallurgy Technology, 2006(3):223-226.

[本文引用: 2]

冉丽萍, 易茂中, 王朝胜, 等.

C/C-Cu复合材料的组织和摩擦磨损性能

[J]. 中国有色金属学报, 2007(4):530-535.

[本文引用: 1]

RAN Liping, YI Maozhong, WANG Chaosheng, et al.

Friction and wear behavior of C/C-Cu composites fabricated by infiltrating molten Cu into C/C preforms

[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2007(4):530-535.

[本文引用: 1]

MA Shuai, XU Enze, ZHU Zhifeng, et al.

Mechanical and wear performances of aluminum/sintered-carbon composites produced by pressure infiltration for pantograph sliders

[J]. Powder Technology, 2017, 326:54-61.

DOI:10.1016/j.powtec.2017.12.027      URL     [本文引用: 1]

RAMBO C, TRAVITZKY N.

Hybrid processing of TiC/TiCu/C composites with tailored hardness

[J]. Journal of Composite Materials, 2021, 55(30):4481-4487.

DOI:10.1177/00219983211038751      URL     [本文引用: 1]

This work reports the effect of TiC volume fractions on hardness of TiC/TiCu/C composites synthesized through in situ reactive infiltration of Ti-Cu alloy into porous carbon preforms prepared by 3 D-printing. Reactive melt infiltration of the alloy at 1100 °C under argon into C-preforms with different porosities resulted in materials composed of TiC, Cu-rich intermetallic matrix (Ti3Cu4) and residual carbon. The microstructure consists of TiC grains distributed along the Cu-Ti/C boundary. The hardness of TiC/Ti3Cu4/C composites could be tailored by the TiC volume fraction and the distribution in the composites, which are determined by the processing parameters and the initial porosity of the carbon templates in 3 D-printing stage. The hardness of the produced composites ranges from 350 HV to 570 HV and could be tailored by the TiC volume fraction and distribution in the composites, which are determined by the processing parameters and the initial porosity of the carbon-preforms.

RAN Liping, PENG Ke, YI Maozhong, et al.

Ablation property of a C/C-Cu composite prepared by pressureless infiltration

[J]. Materials Letters, 2011, 65(13):2076-2078.

DOI:10.1016/j.matlet.2011.04.017      URL     [本文引用: 2]

SILVA V, FERNANDES C, SENOS A.

Copper wettability on tungsten carbide surfaces

[J]. Ceramics International, 2016, 42(1):1191-1196.

DOI:10.1016/j.ceramint.2015.09.050      URL     [本文引用: 1]

KENNEDY A, WOOD J, WEAGER B.

The wetting and spontaneous infiltration of ceramics by molten copper

[J]. Journal of Materials Science, 2000, 35(12):2909-2912.

DOI:10.1023/A:1004714407371      URL     [本文引用: 1]

LIANG Yunhong, WANG Huiyua, YANG Yafeng, et al.

Evolution process of the synthesis of TiC in the Cu-Ti-C system

[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2008, 452(2):298-303.

[本文引用: 1]

易振华, 易茂中, 冉丽萍, 等.

添加钛对炭/炭复合材料渗铜的影响

[J]. 中国有色金属学报, 2006(7):1214-1218.

[本文引用: 1]

YI Zhenhua, YI Maozhong, RAN Liping, et al.

Influence of adding Ti on molten copper infiltration into C/C composites

[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006(7):1214-1218.

[本文引用: 1]

ZHOU Wenyan, YI Maozhong, PENG Ke, et al.

Preparation of a C/C-Cu composite with Mo2C coatings as a modification interlayer

[J]. Materials Letters, 2015, 145(15):264-268.

DOI:10.1016/j.matlet.2015.01.111      URL     [本文引用: 1]

李箫波, 魏文赋, 左浩梓, 等.

基于Mo2C晶粒增强的铜/石墨复合材料浸渗特性与优化

[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(22):7881-7889.

[本文引用: 1]

LI Xiaobo, WEI Wenfu, ZUO Haozi, et al.

Infiltration characteristics and optimization of copper/graphite composite reinforced by Mo2C grain

[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(22):7881-7889.

[本文引用: 1]

ZUO Haozi, WEI Wenfu, WU Guangning, et al.

Performance enhancement of carbon/copper composites based on boron doping

[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 876:160213.

DOI:10.1016/j.jallcom.2021.160213      URL     [本文引用: 1]

ZUO Haozi, YANG Zefeng, WEI Wenfu, et al.

Synchronously improved mechanical strength and electrical conductivity of Carbon/Copper composites by forming Fe3C interlayer at C/Cu interface

[J]. Materials Today Communications, 2021, 28(13):102661.

DOI:10.1016/j.mtcomm.2021.102661      URL     [本文引用: 1]

高春明, 凌跃成, 钱振华, 等.

减磨型碳纤维复合材料受电弓滑板的研制

[J]. 电力机车与城轨车辆, 2004(4):31-33.

[本文引用: 1]

GAO Chunming, LING Yuecheng, QIAN Zhenhua, et al.

Development of wearless carbon fibre composite pantograph slide bar

[J]. Electric Locomotives & Mass Transit Vehicles, 2004(4):31-33.

[本文引用: 1]

袁华. 碳纤维增强受电弓滑板的制备与性能及摩擦磨损机理的研究[D]. 济南: 山东大学, 2013.

[本文引用: 1]

YUAN Hua. Preparation and performance and anti-wear mechanism of carbon fiber reinforced contact strip[D]. Jinan: Shandong University, 2013.

[本文引用: 1]

久保田喜雄, 彭惠民.

C/C复合材料应用于新干线车辆的受电弓滑板

[J]. 国外机车车辆工艺, 2020(5):21-26.

[本文引用: 1]

KUBOTA Yoshitaka, PENG Huimin.

A basic study on the application of C/C composite pantograph contact strip to Shinkansen vehicle

[J]. Foreign Locomotive & Rolling Stock Technology, 2020(5):21-26.

[本文引用: 1]

杨连威, 姚广春, 陆阳.

新型铜-碳复合受电弓滑板的制备

[J]. 过程工程学报, 2005(4):460-463.

[本文引用: 1]

通过分析当前电力机车受电弓滑板存在的各种问题，用粉末冶金法研制出了一种新型的受电弓滑板. 该滑板由铜、碳纤维和石墨等构成. 首先分析了成形压力、烧结温度对滑板性能的影响，然后对其导电性、摩擦、磨损性能及冲击韧性进行检测并与当前正在使用的受电弓滑板进行了对比. 结果表明，该新型滑板的最佳制备工艺条件为铜含量78%，碳纤维含量2%，石墨含量15%，添加剂含量5%，成形压力为200 MPa，烧结温度为880℃. 该滑板不仅电阻率很低，而且其摩擦、磨损及冲击韧性等性能也较当前正在使用的受电弓滑板优越. 与当前正在使用的碳滑板相比，其摩擦系数降低54.5%，磨损量减少41%，冲击韧性提高9.6倍，导电性增强87倍.

YANG Lianwei, YAO Guangchun, LU Yang.

Research on new copper-carbon composite pantograph slide plate

[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2005(4):460-463.

[本文引用: 1]

In view of existing problems of current electric locomotive pantograph slide plate，a new pantograph slide plate was developed using powder metallurgy technology. The new pantograph slide plate consisted of copper, carbon fiber, graphite, etc., and the influences of pressure and sintering temperature on the performance of pantograph slide plate were evaluated based on the measurements of friction, abrasion and impact toughness of test samples. Performance of these pantograph slide plates was compared with other brands that are being used now. The results showed that the best plate was prepared with the conditions of the composition of copper 78%, carbon fiber 2%, graphite 15% and additive 5%, pressure 200 MPa and sintering temperature 880℃. Its performance in friction, abrasion and impact toughness, etc., was improved compared with current carbon slide plates: friction coefficient was reduced by 54.5%, abrasion rate decreased by 41%, impact toughness increased by 9.6 times and conductance increased by 87 times.

WU Guangning, DONG Keliang, XU Zhilei, et al.

Pantograph-catenary electrical contact system of high-speed railways:Recent progress,challenges,and outlooks

[J]. Railway Engineering Science, 2022, 30(4):437-467.

DOI:10.1007/s40534-022-00281-2      [本文引用: 1]

As the unique power entrance, the pantograph–catenary electrical contact system maintains the efficiency and reliability of power transmission for the high-speed train. Along with the fast development of high-speed railways all over the world, some commercialized lines are built for covering the remote places under harsh environment, especially in China; these environmental elements including wind, sand, rain, thunder, ice and snow need to be considered during the design of the pantograph–catenary system. The pantograph–catenary system includes the pantograph, the contact wire and the interface—pantograph slide. As the key component, this pantograph slide plays a critical role in reliable power transmission under dynamic condition. The fundamental material characteristics of the pantograph slide and contact wire such as electrical conductivity, impact resistance, wear resistance, etc., directly determine the sliding electrical contact performance of the pantograph–catenary system; meanwhile, different detection methods of the pantograph–catenary system are crucial for the reliability of service and maintenance. In addition, the challenges brought from extreme operational conditions are discussed, taking the Sichuan–Tibet Railway currently under construction as a special example with the high-altitude climate. The outlook for developing the ultra-high-speed train equipped with the novel pantograph–catenary system which can address the harsher operational environment is also involved. This paper has provided a comprehensive review of the high-speed railway pantograph–catenary systems, including its progress, challenges, outlooks in the history and future.

PITTMAN C, HE G, WU B.

Chemical modification of carbon fiber surfaces by nitric acid oxidation followed by reaction with tetraethylenepentamine

[J]. Carbon, 1997, 35(3):317-331.

DOI:10.1016/S0008-6223(97)89608-X      URL     [本文引用: 1]

LIU Xin, YANG Changling, LU Yonggen.

Contrastive study of anodic oxidation on carbon fibers and graphite fibers

[J]. Applied Surface Science, 2012, 258(10):4268-4275.

DOI:10.1016/j.apsusc.2011.12.076      URL     [本文引用: 1]

ALTAY L, BOZACI E, ATAGUR M, et al.

The effect of atmospheric plasma treatment of recycled carbon fiber at different plasma powers on recycled carbon fiber and its polypropylene composites

[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2019, 136(9):47131.

DOI:10.1002/app.v136.9      URL     [本文引用: 1]

LI Junqing, HUANG Yudong, XU Zhiwei, et al.

High-energy radiation technique treat on the surface of carbon fiber

[J]. Materials Chemistry and Physics, 2005, 94(2-3):315-321.

DOI:10.1016/j.matchemphys.2005.05.007      URL     [本文引用: 1]

QIN Jianjie, WANG Chengguo, YAO Zhiqiang, et al.

Growing carbon nanotubes on continuous carbon fibers to produce composites with improved interfacial properties:A step towards commercial production and application

[J]. Composites Science and Technology, 2021, 211:108870.

DOI:10.1016/j.compscitech.2021.108870      URL     [本文引用: 1]

SHARMA M, GAO S, MAEDER E, et al.

Carbon fiber surfaces and composite interphases

[J]. Composites Science & Technology, 2014, 102:35-50.

[本文引用: 1]

LI Xiang, YANG Zefeng, ZHAO Yang, et al.

Excellent interfacial structural integrity of pre-oxidized carbon fiber-reinforced carbon-carbon composites

[J]. Composite Interfaces, 2022(4):29.

[本文引用: 1]

LI Jie, YANG Zefeng, ZHAO Yang, et al.

Improving carbon/carbon composites mechanical and thermal properties by the co-carbonization of pre-oxidized carbon fiber and pitch

[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2022, 139(13):51846.

DOI:10.1002/app.v139.13      URL     [本文引用: 1]

CHEN Qichen, YANG Zefeng, LIN Jiahui, et al.

Scalable,low-cost,and environment-friendly preparation of high strength carbon-matrix composites with tree-root-like structured reinforcements

[J]. Composites Communications, 2022, 32:101149.

DOI:10.1016/j.coco.2022.101149      URL     [本文引用: 2]

翟洪祥, 汪长安.

Ti3SiC2材料在受电弓滑板中的应用研究

[J]. 机车电传动, 2003(S1):43-45.

[本文引用: 1]

ZHAI Hongxiang, WANG Changan.

Application of Ti3SiC2 materials in contact strips of pantograph

[J]. Electric Drive for Locomotives, 2003(S1):43-45.

[本文引用: 1]

KEI S, TAKESHI Y, JUNICHIRO M, et al.

Friction and wear properties of copper/carbon/RB ceramics composite materials under dry condition

[J]. Tribology Online, 2008, 3(4):222-227.

DOI:10.2474/trol.3.222      URL     [本文引用: 1]

HUANG Xiaochen, FENG Yi, QIAN Gang, et al.

Comparison of electrical ablation properties between pantograph materials:Ti3AlC2 and Cu-Ti3AlC2

[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(1):34-41.

[本文引用: 1]

许少凡, 许少平, 江沣, 等.

导电陶瓷Ti3SiC2-Cu-C复合材料的制备与性能研究

[J]. 材料热处理学报, 2009, 30(5):35-38.

[本文引用: 1]

XU Shaofan, XU Shaoping, JIANG Feng, et al.

Preparation and properties of conductive ceramic Ti3SiC2-Cu-C composites

[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2009, 30(5):35-38.

[本文引用: 1]

严石, 梅炳初, 周卫兵.

新型受电弓滑板材料的研究

[J]. 机车电传动, 2009(6):21-23.

[本文引用: 1]

YAN Shi, MEI Bingchu, ZHOU Weibing.

Research on new material for pantograph slide plates

[J]. Electric Drive for Locomotives, 2009(6):21-23.

[本文引用: 1]

JIANG Xiaosong, SONG Tingfeng, SHAO Zheyi, et al.

Synergetic effect of graphene and MWCNTs on microstructure and mechanical properties of Cu/Ti3SiC2/C nanocomposites

[J]. Nanoscale Research Letters, 2017, 12(1):607.

DOI:10.1186/s11671-017-2378-0      PMID:29181638      [本文引用: 1]

Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and graphenes have been taken for novel reinforcements due to their unique structure and performance. However, MWCNTs or graphenes reinforced copper matrix composites could not catch up with ideal value due to reinforcement dispersion in metal matrix, wettability to metal matrix, and composite material interface. Taking advantage of the superior properties of one-dimensional MWCNTs and two-dimensional graphenes, complementary performance and structure are constructed to create a high contact area between MWCNTs and graphenes to the Cu matrix. Mechanical alloying, hot pressing, and hot isostatic pressing techniques are used to fabricate Cu matrix self-lubricating nanocomposites. Effects of MWCNTs and graphenes on mechanical properties and microstructures of Cu/TiSiC/C nanocomposites are studied. The fracture and strengthening mechanisms of Cu/TiSiC/C nanocomposites are explored on the basis of structure and composition of Cu/TiSiC/C nanocomposites with formation and function of interface.

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