载流摩擦的研究现状与挑战*

张永振 杨正海 上官宝

①③教授，河南科技大学摩擦学重点实验室，河南 洛阳 471023；②博士研究生，机械科学研究总院武汉材料保护研究所，武汉 430030

载流摩擦的研究现状与挑战*

张永振①杨正海②上官宝③

①③教授，河南科技大学摩擦学重点实验室，河南 洛阳 471023；②博士研究生，机械科学研究总院武汉材料保护研究所，武汉 430030

载流；电弧；磨损；接触

载流摩擦问题是包含导电和摩擦磨损两个系统的多学科交叉问题，且两系统存在强烈的性能耦合和损伤耦合，伴生电弧是其最显著的特点。作者还介绍了载流摩擦的研究现状，并展望了其未来的研究重点。

两个金属表面相互接触后，就可实现导电、导热等能量传导功能，其能量传输过程中的相关科学技术问题称为电接触。但如果这两个金属表面出现相对运动，一系列摩擦现象就会对能量传导行为产生复杂的耦合影响，这种运动状态下的导电行为或者在导电状态下的摩擦行为被称为载流摩擦。

载流摩擦属于电接触学与摩擦学的交叉学科。长期以来，载流摩擦在电接触学与摩擦学两个学科虽有所涉及，但缺乏系统深入的研究。近年来，技术的快速发展对载流摩擦理论与技术研究提出了迫切的需求，突出表现在：从电接触角度出发，能量传输密度大幅度提高，导致电接触的服役条件急剧恶化。铁路运行速度的不断提升要求电力机车弓网系统电流从原来的150 A提升到500～800 A，接触电流密度提高了4倍以上(图1)；高压输变电技术的快速发展要求高压开关的断开电压从10 kV提升到1000 kV以上(表1)，因此，高压、大电流成为载流摩擦副必须突破的关键技术。从摩擦学角度出发，接触压力与摩擦速度的大幅度提升导致摩擦条件的苛刻化。高铁弓网除接触压力提高外，摩擦速度从20 m/s左右提升到100 m/s。对于干摩擦，摩擦热与速度及接触压力呈幂函数关系，因此，几十倍摩擦热的增加导致的高温会带来一系列复杂的技术问题。从可靠性的角度出发，可靠性要求的迅速提升对载流摩擦技术提出了严峻的挑战。对于航天、航空等领域，大量接触器触头的导电接触可靠性要求极高，有些甚至不允许出现接触不良；对于电力行业，供电网络从局部区域向大区域、甚至全国统一网络发展后，局部高压开关故障将可能导致大范围电网的瘫痪。

表1 中国高压输电电压等级

综上所述，摩擦学、导电条件的显著苛刻化与高可靠性要求的挑战对于载流摩擦理论与技术研究提出了迫切的要求。为此，近年来，世界各国学者从不同的角度开始了载流摩擦的系统研究工作。

1 载流摩擦的基本现象

1.1 载流摩擦的接触

理论上分析，任何光滑的表面在一定的尺度下都是粗糙不平的，因此，无论对于摩擦接触，还是导电接触，粗糙接触意味着真实接触面积远小于名义接触面积。一般认为，真实接触面积仅为名义接触面积的1%左右。在粗糙表面接触条件下，两个表面之间接触行为实际上是两个表面上无数个凸出峰接触的综合效应(图2)。

对于摩擦接触，在一定的接触压力下，占名义面积1%左右的凸出峰承担了所有的接触压力(这些凸出峰接触形成的斑点称为接触斑点)，因此，真实接触处的接触应力远高于名义接触应力。对于导电接触，占名义面积1%左右的凸出峰承担了所有电流传导的功能(实际为破坏了表面不导电层的接触斑点承担电流传导的功能，这些斑点称为α斑点)，因此，真实接触处的电流密度远高于名义电流密度(形成的电阻称为收缩电阻)。

图2 粗糙表面接触示意图

另一方面，无论是摩擦过程还是导电过程，在接触处都会产生大量的摩擦热与接触电阻热，这些热量在表面上不是均布，而是在凸出峰处出现热量集中，表现为凸出峰处的温度远高于各义接触面上的非接触区。因此凸出峰接触区负荷集中效应是载流接触的突出特点，这种效应是应力集中、电流密度集中及热集中的耦合作用。

1.2 运动状态下的接触特性

对于相对滑动的载流摩擦副接触表面，接触斑点由于温升和压力的作用，容易产生黏着，具有很强的黏着力，随后在摩擦力作用下，这些黏着结点被剪切而产生滑动。摩擦就是黏着结点的形成和剪切交替发生的过程(图3为摩擦后的表面)。经典摩擦黏着理论将单个接触峰的黏着进行简化，硬表面的粗糙峰看成半圆柱体，软金属看成平面，则接触斑点可以看成如图4所示的模型。粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中，接触面积由两部分组成：一为圆柱面，它是发生黏着效应的面积，滑动时发生剪切；另一为端面，这是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材料[1]。

载流摩擦副的电接触问题中最常见的是接触电阻，其对摩擦副的影响主要是接触电阻热造成的温升和其对接触点焊合的影响。但是，当两个接触表面之间存在快速的相对运动时，凸出峰接触的数量及空间分布都处于随机变化之中，这种随机变化导致摩擦表面上出现不均匀的电流密度分布；而且，由于摩擦热与电阻热的作用，在摩擦表面上将形成一层氧化物，这些氧化物与表面磨损产物共同形成了一层导电能力极不均匀的表面层，其结果有可能使得表面局部区域的接触电阻大幅度提高，表面温度继续提高，这时，便具备了电弧产生的条件。因此，对于运动接触导电，伴生电弧是载流摩擦最显著的特点。

图3 Cu材料载流摩擦磨损行为[2]：(a)犁沟；(b)黏着；(c)氧化与黏着

图4 单峰黏着理论模型

1.3 伴生电弧及其影响

电弧是一种阴极位降低、电流密度大的自持性气体放电现象。在电场作用下，气体被电离形成等离子体，电子和离子在电场作用下加速，与等离子体中的其他粒子或电极发生碰撞，从而使各种粒子的振荡运动急剧加强，宏观上表现为电弧在极短的时间内温度急剧升高(可达4000～10 000 K)，电极在粒子的冲击下，温度急剧升高，材料发生熔化、蒸发等侵蚀现象。同时，电弧弧柱发出弧光。

伴生电弧(以下简称电弧)的引发要求两接触点间的电势超过最低起弧电压，电路中的有效电流超过最低起弧电流(最低起弧电压和最低起弧电流的值随其他条件变化)。在两电极分开的过程中，由于电极先接触后拉开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体电离形成等离子体，形成自持性的电弧放电。两电极闭合的过程中，两电极间的压降逐渐增大，当极间压降足够大时，极间气体被电离形成等离子体，形成自持性的电弧放电。当向等离子体中输入的能量不足以维持电弧放电时，等离子体逐渐湮灭，电弧熄灭。当载流摩擦副运行过程中配副零件产生分离及其随后的闭合过程中，可能产生电弧。图5 是弓网电弧及其模拟试验中的电弧。

电弧放电使载流摩擦副传输的能量不稳不足(图6所示为电弧放电造成电流波动)，在电路中引起过电压现象，降低载流质量。电弧放电直接造成蒸发、气化、熔融和喷溅等材料损伤(图7)，电弧产生大量的热量，造成材料的材料性能衰退。电弧放电还产生无线电干扰杂波。

载流摩擦中的电弧具有随机性和动态性。配副零件相对运动过程中由于运动不平顺、受迫震动、冲击等使得配副零件容易产生短时间隙，摩擦副所传递的能量密度很大，配副中间很可能产生电弧，在这种环境下产生的电弧是动态的、随机的、大小不一的，其影响也是动态的和随机的。载流摩擦中电弧的影响测量困难。电弧对载流摩擦的影响与其他影响相互耦合，难以具体区分；同时，电弧产生在相对滑动的配副两零件之间狭窄缝隙中，等离子体诊断常用的光谱法、能谱法难以直接运用，而且，这些指标能否表征电弧对高速大电流密度载流摩擦的影响也有待进一步验证。

综上所述，载流摩擦问题是一个多学科交叉的问题，包含导电和摩擦磨损两个系统，且两系统存在强烈的性能耦合和损伤耦合(图8)。载流摩擦副的电接触和摩擦接触是通过粗糙表面的接触斑点实现的，而这些斑点存在负荷集中效应，所以，电性能和摩擦磨损性能是相互耦合的。材料的损伤也是相互耦合的，表现为：磨损和电弧造成的材料直接损伤相互耦合作用，而且，电弧热和电阻热改变了材料的性质，使得磨损形式发生变化。从图9可见，疲劳磨损基本不出现，材料次表层塑性变形很大。

图5 运行中的电弧和实验中的电弧：(a)弓网电弧；(b)试验装置；(c)～(f)电弧的不同阶段

图6 电弧放电可能造成电流波动[2]

图7 电弧放电造成材料的熔融、喷溅、蒸发和气化[3]

2 载流摩擦的研究进展

2.1 评价体系研究

载流摩擦特性的评价指标主要包括摩擦磨损性能和电性能两个部分。摩擦磨损性能的评价指标是摩擦系数和磨损率，常采用某一过程的平均值来进行评价。电性能的评价没有公认的指标，目前使用的主要有电流和接触电阻等，由于载流摩擦过程的剧烈波动，常常采用其统计量或者统计量的变化量来描述。载流摩擦过程的动态评价引起了研究者的注意，但目前少见相关的评价指标。

图8 载流摩擦系统图[2]

图9 轧制铜销载流磨损的塑形变形层[2]：(a)剖面位置；(b)原始组织；(c)无电流剖面；(d)40A剖面

目前的载流摩擦评价设备多为自行研制设备，加载和运动方式也多种多样，但根据试样接触形式，试验机可分为：销-盘式试验机[3](图10(a))、销-环式试验机[4](图10(b))、环-块式试验机[5](图10(c))和线-滑块式试验机[6](图10(d))。试验机加载方式有砝码加载、弹簧加载[3,7]等，所加电流可分为交流和直流两类。电摩擦中电弧表征方法包括照相法(普通相机和高速摄像机照相)、光敏元件测光法、电弧能量法等。

2.2 摩擦学条件与载流条件对载流摩擦的影响

载流摩擦副服役条件中的电因素，主要包括电流大小、交流电或直流电、电流的极性、配副电接触的接触电阻、配副电接触的电压降等。电流是影响载流摩擦磨损的重要因素。有电流时材料的摩擦系数较无电流时有较大变化，有电流时材料的磨损率大于无电流时的情况，且随着电流的增加，材料的磨损量增加，摩擦副的载流质量和载流稳定性均变差[3,8-9]。其主要原因是电流导致导电斑点的温升增大，电弧出现的频率和强度增加，加速了接触表面的氧化，甚至提前了摩擦副由轻微磨损向严重磨损的转变[10]。文献[11-12]指出，磨损率随电流强度增大而增加，电磨损与极性有一定的关联关系，正刷的磨损量略大于负刷的磨损量。Lavielle[13]的研究指出，改变外加电场可以改变摩擦系数，最大可使摩擦系数改变25%。W istuba[14]的研究结果表明，在滑动过程中，外加电场的极性对触头的摩擦力有显著影响，阳极电场使摩擦力下降。

速度对载流摩擦有较大影响。随速度增加，磨损增大，载流质量变差[3]。随着速度的提高，滑动载流摩擦副的表面相对运动更加不平顺，跳动、冲击等现象更加剧烈，直接导致更加容易发生电弧放电。同时，摩擦热急剧增大，表面温度迅速升高，摩擦副的摩擦磨损性能降低，引起摩擦表面状况恶化。文献[15]指出，当速度超过一定值时，摩擦副微凸峰相互接触的时间由于摩擦速度加快而缩短，使原子较难由一方向另一方扩散，黏结作用减弱，磨损量出现减少。

图10 典型的载流摩擦磨损试验装置：(a)销盘式；(b)销环式；(c)环块式；(d)线块式

载荷对载流摩擦有重要影响。从磨损的角度看，存在最优载荷值；从载流质量看，载荷越大，载流质量越好。载荷的大小决定了载流摩擦副的接触状态，决定摩擦副机械接触斑点和α斑点数量。从机械磨损的角度看，接触力越小，磨损率越小；从电接触角度看，载荷越小，α斑点越少，电接触状态越差，载流质量越差；从电弧放电的角度看，载荷越小，出现电弧放电的可能性越大，电弧放电导致电弧侵蚀变大。综合作用结果显示，载流摩擦副在满足一定载流质量要求下，可以找到一磨损率最低的最佳载荷值。Yasar等[7]的研究结果表明，摩擦因数和磨损率随载荷的增加均呈现先降低后增加的变化趋势，其磨损分为3个阶段：压力为30～50 kPa为低磨损阶段，50～120 kPa为中度磨损阶段，小于30 kPa和大于120 kPa为严重磨损阶段。凤仪等[16]的研究结果表明：碳纳米管-银-石墨复合材料载流摩擦磨损条件下的磨损体积与压力成U型变化。Zhao等[4]的研究表明石墨销-钢盘摩擦副存在一个理想接触压力值。

2.3 电弧对载流摩擦的影响

电弧放电对载流质量有重大影响。载流摩擦副产生电弧过程中，导电斑点数量不足甚至没有，等离子体提供了电流导通的通道；电弧放电也造成回路电流波形异常，回路过电压，同时，还产生电磁噪声；而且，电弧放电造成损伤后也将反馈到其后的电接触中，恶化载流质量。

电弧放电严重危害载流摩擦副的摩擦磨损性能。电弧放电的过程也是等离子体中的正、负离子和电子对电极撞击的过程，同时释放大量热量，直接造成材料熔融、喷溅、蒸发和气化，加剧材料的氧化，形成材料的电气损伤。电弧放电造成的材料损伤破坏了摩擦副运行形成的最佳表面，恶化摩擦副的平稳运行过程，同时，大量释放的热量改变了材料的性能，影响摩擦副的机械磨损过程，继而进一步加剧材料的损伤。文献[17-19]认为弓网电弧过程中，电弧的物理冶金过程主要为加热(软化)—相变(熔化、气化)—损耗—凝固等几个过程，也可以看作是电弧侵蚀的三个阶段：金属离子阶段、蒸汽阶段和液体转移阶段。有研究提出电弧能量的概念[20]，认为电弧的侵蚀效果与电弧持续时长和强度之积有关，单个电弧的能量等于发生电弧时电流和电压乘积对时长的积分。Kubo和Kato[21]认为电弧能量和电弧侵蚀量两者之间存在幂函数关系。王其平[22]根据试验结果得出电弧侵蚀量与电流和电弧燃弧时间之积成正比。

2.4 磨损机理

载流摩擦材料的磨损方式有机械磨损、电气磨损、化学磨损以及它们之间的耦合作用。机械磨损的主要形式包括塑性变形、犁沟、黏着等现象；电气磨损的主要形式包括熔融、喷溅、气化和蒸发等；化学磨损一般情况下主要是氧化造成的，在腐蚀环境下也包括化学腐蚀。材料的磨损机理与材料性质密切相关，如同为电气磨损，对于纯铜，熔融和喷溅比较显著，而对于C/C复合材料则是蒸发和气化比较显著。载流摩擦过程中磨损机制不同时全部出现，而是多种机制共同作用的结果[23]。

2.5 载流摩擦材料研究进展

载流摩擦副材料的选择依据主要是摩擦表面的压力、滑动速度和工作温度等服役条件，其主要技术要求有：良好的机械性能，导电性和导热性，抗熔焊性，耐电磨损性，接触电阻，良好的加工制造性能，良好的耐蚀性能、减摩耐磨性能和润滑性能等[24-25]。由于载流摩擦副使用范围广，工况差别大，且各材料在不同使役条件下的最优配副情况也不相同，所以，材料种类较多。触头材料主要有银基、铜基两大类，按合金系的分类包括：铜钨、银氧化镉、银钨、银镍、银石墨、铜铬等系列。目前广泛使用的接触线材料主要有铜、铜合金、钢铝复合、钢铜复合等。铜合金型接触线材料主要有银铜合金、锡铜合金、铜铬锆合金、铜镉合金、镁铜合金等。复合金属接触线主要有铝包钢接触线和铜包钢接触线。滑板材料主要包括纯金属、铜基粉末冶金材料、铁基粉末冶金材料、浸金属碳材料和碳碳复合材料等，高速铁路主要使用碳碳复合材料滑板。但是，由于各种载流摩擦副材料承受的物理化学过程基本一致，其共同的发展趋势是组织复合化和结构复合化。典型的组织复合化材料是Cu-C材料(C指石墨、碳纤维、碳纳米管等材料)[26]，典型的结构复合化材料是Ag-涂层材料、Cu包钢和Al包钢复合材料。

3 结束语

随着科技的日益发展，载流摩擦副自身向小型化和高可靠性方向发展，同时其工作条件苛刻化，即传输的能量密度越来越大，相对运动的速度越来越高，工作环境极端化。中国现有的技术已不能满足需求，开展电磨损研究是解决这些问题的必由之路。作者认为以下问题可能成为下一阶段的研究重点：

(1)加强载流摩擦机理的研究，特别是过程的动态化和材料配副性研究，是工作的重点之一。中国电接触学研究落后，现有技术大多为引进技术，机理研究不透彻，直接影响中国相关领域的发展。在已有的载流摩擦研究中，对电弧及其影响的重视不够，对载流摩擦的动态研究较少。随着载流摩擦新材料的研究不断深入，材料配副性的研究将受到重视。

(2)随着科技大发展，载流摩擦副的服役条件越来越苛刻，工作环境极端化，开展相关研究，为突破工程技术领域的瓶颈提供技术支持。

(2014年6月10日收稿)

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(编辑：沈美芳)

Research progress and challenges in tribo-electric systems

ZHANG Yong-zhen①, YANG Zheng-hai②, SHANGGUAN Bao③
①③Professor, Key Laboratory of Material Tribology, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan Province, China; ②Ph. D. Candidate, Wuhan Research Institute of Materials Protection, China Academy of Machinery Science and Technology, Wuhan 430030, China

Performances of tribo-electric systems are determined not only by the tribological and electric behaviors of the sliding pairs, but also by their combination effects. Among those combination effects, electric arc plays very important role in contacting surface damage. M oreover, the advances and possible breaks in tribo-electric research are introduced in this paper.

current-carrying, arc, friction, contact

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.04.004

*国家自然科学基金(U1034002、51375147)和河南省科技厅省院科技合作基金(112106000034)资助