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抑弧油對滑板用 C/C 復(fù)合材料載流磨損性能的影響論文
受電弓滑板是為電力機(jī)車提供持續(xù)電力來源的重要集電元件，滑板/接觸線構(gòu)成了在機(jī)械作用與電氣作用共同影響下的特殊摩擦副，受電弓滑板/接觸線的載流磨損是在機(jī)械、摩擦、化學(xué)、傳熱和電氣等因素綜合作用下的一種磨損行為�；逶诟咚龠\(yùn)行過程中，因接觸-分離產(chǎn)生的電弧侵蝕是造成滑板/接觸線顯著磨耗的主要原因。電弧侵蝕直接導(dǎo)致滑板/接觸線的磨損表面粗糙度增大，造成磨損面上接觸區(qū)材料受沖擊剝落。另外，電弧還可激發(fā)材料轉(zhuǎn)移和熔融噴濺等多種磨損模式。
對于既定的弓網(wǎng)系統(tǒng)而言，滑板材料的體積電阻率、力學(xué)性能、抗磨與減摩性能、耐電弧沖擊及輕量化都是必須同時(shí)統(tǒng)籌考慮的參數(shù)。目前，炭材料仍是受電弓滑板用材料的主流材質(zhì)。因?yàn)樘坎牧弦自谀Σ帘砻嫘纬商抠|(zhì)潤滑膜，炭質(zhì)材料既可滿足滑板所需的良好導(dǎo)電性、優(yōu)異耐磨性，又可減輕電弧對摩擦副的侵蝕。為了進(jìn)一步闡述電弧作用對炭質(zhì)滑板材料載流磨損性能的影響，KUBO 等系統(tǒng)研究了電弧對浸銅炭滑板磨損率的影響，研究發(fā)現(xiàn)滑板的磨損率主要受控于滑板/導(dǎo)線間接觸分離產(chǎn)生的電弧放電。沈向前等研究了有、無載流條件下 3D 炭/炭復(fù)合材料的干滑動(dòng)摩擦磨損性能，結(jié)果表明，在載流條件下，大量摩擦熱和電弧熱使摩擦表面因局部溫度的急劇升高而氧化，造成大面積的氧化磨損和氧化硬質(zhì)顆粒造成的磨粒磨損。DING 等研究了在直流高速運(yùn)載條件下純炭滑板的載流磨損行為，結(jié)果表明，電流作用引起的高溫磨損和電弧燒蝕磨損是造成炭滑板磨損加劇的主要因素，在滑板表面上存在電弧侵蝕坑，磨損表面滑動(dòng)方向上出現(xiàn)電弧燒蝕的黑色流線，滑動(dòng)磨痕，剝落塊體，類銅層。純炭滑板/銅接觸線在交流高速下磨損機(jī)制呈現(xiàn)為磨粒磨損、電弧燒蝕和氧化磨損，并伴隨著材料的轉(zhuǎn)移。
1 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)選用密度為 1.5 g·cm3的 C/C 復(fù)合材料(由中南大學(xué)粉末冶金研究院提供)作為研究對象。在DZF-6050 型真空干燥箱中，采用真空浸漬法對 C/C復(fù)合材料浸漬抑弧油(德國進(jìn)口)，抑弧油的主要參數(shù)如表 1 所列，浸漬溫度為 40 ℃，浸漬時(shí)間為 2 h。
采用自制雙銷盤式載流摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測試C/C 復(fù)合材料/銅的載流磨損性能(對磨盤為紫銅材料，預(yù)磨時(shí)間為 3 min，其載流磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表 2 所列)。采用瑞士 CSM 儀器公司的 TRB 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試 C/C 復(fù)合材料/銅的摩擦因數(shù)(對磨盤為紫銅材料，加載載荷為 5 N，轉(zhuǎn)速為 0.83 m·s1，磨損時(shí)間為40 min)。
2 結(jié)果與討論
2.1 物理性能分析
未浸油 C/C 復(fù)合材料的斷面粗糙，可見材料內(nèi)部的開孔及明顯的炭纖維被拔出后留下的孔洞。浸油 C/C 復(fù)合材料的斷面被潤濕，抑弧油均勻填充在 C/C 復(fù)合材料的微孔中，其斷面模糊且光滑。抑弧油的存在使得摩擦副間的作用力減弱，減少了微凸峰之間的相互阻礙作用，能夠降低其摩擦因數(shù)。
2.2 抑弧油對 C/C 復(fù)合材料磨損性能的影響
2.2.1 抑弧油對 C/C 復(fù)合材料摩擦因數(shù)的影響
在摩擦初始階段，未浸油 C/C 復(fù)合材料的摩擦因數(shù)變化幅度較大且其摩擦因數(shù)高于浸油C/C 復(fù)合材料;隨著摩擦的進(jìn)行，C/C 復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均趨于穩(wěn)定，其中，未浸油 C/C 復(fù)合材料摩擦因數(shù)的最大值為 0.404，平均值為 0.245;而浸油 C/C復(fù)合材料摩擦因數(shù)的最大值為 0.187，平均值為 0.175。與未浸油 C/C 復(fù)合材料相比，浸油 C/C 復(fù)合材料的摩擦因數(shù)明顯低于未浸油 C/C 復(fù)合材料，且其摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性優(yōu)于未浸油 C/C 復(fù)合材料。
2.2.2 抑弧油對 C/C 復(fù)合材料載流磨損性能的影響
滑 行 速 度 為27.8 m·s1，加載電流密度為 375 A·cm2條件下，未浸油、浸油 C/C 復(fù)合材料/銅的接觸區(qū)溫度隨磨損時(shí)間的變化曲線。圖 4 為在相同條件下，未浸油、浸油 C/C復(fù)合材料的電火花尾部高度隨磨損時(shí)間的變化曲線。
2.3 磨損表面及磨屑分析
為進(jìn)一步分析浸漬抑弧油對 C/C 復(fù)合材料載流磨損性能及抑弧性能的影響，對未浸油、浸油的 C/C 復(fù)合材料的磨損表面和磨屑微觀形貌進(jìn)行表征。分別為未浸油、浸油的 C/C 復(fù)合材料的磨損表面和磨屑形貌的 SEM 照片。
3 結(jié)論
1) 經(jīng)真空浸油處理能顯著降低 C/C 復(fù)合材料的載流磨損率，并提高其抗電弧侵蝕性能，浸油 C/C 復(fù)合材料的載流磨損率約為未浸油 C/C 復(fù)合材料的 1/3。
2) 在磨損過程中，抑弧油可有效地填充摩擦副間的間隙，并形成一層潤滑膜，降低其摩擦因數(shù)，使載流磨損趨于穩(wěn)定，降低其磨損;在載流條件下，抑弧油通過其汽化蒸發(fā)和分解作用，形成氣體抑弧微區(qū)，破壞電弧持續(xù)的能量平衡和離子平衡，從而提高 C/C復(fù)合材料的抑弧性能，使電弧侵蝕作用減弱。
3) 浸油 C/C 復(fù)合材料/銅的磨損機(jī)理主要是輕度的沖擊磨損、剝層磨損和輕微的電弧侵蝕磨損。
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