碳纤维增强受电弓滑板的性能表征

图 １ 碳 纤 维 含 量 与 滑 板 冲 击 强 度 的 关 系 Ｆｉｇ １Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｗｆｏｎ ｉｍｐａｃｔ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
处形成微裂纹，这 种 微 裂 纹 会 局 部 弱 化 界 面 的 结 合 强 度 ，所 以 试 样 承 受 外 载 时 部 分 纤 维 发 生 脱 粘 、拔 出 。
滑板试样。
２．３ 实 验 方 法 采用电 桥 法，使 用 Ｈ２ＭＲ 型 高 精 度 电 阻 仪，按 照
ＪＢ／Ｔ ８１３３．２ 标 准 进 行 试 样 体 电 阻 率 的 测 试；使 用 ＸＪＪ－５０冲 击 试 验 机 检 测 冲 击 性 能，按 照 ＩＳＯ１７９、ＧＢ／ Ｔ１０４３、ＧＢ／Ｔ２６１１、ＪＢ／Ｔ８７６２ 标 准，使 用 温 度 １５～ ３５℃，试样尺寸为１５ｍｍ×１０ｍｍ×１２０ｍｍ。 试样为无
强受电弓滑板相 比，连 续 碳 纤 维 增 强 滑 板 的 电 阻 率 有 ２Ｄ 碳布叠层复 合 材 料 具 有 较 高 的 摩 擦 系 数 和 低 的 磨
所提 高；冲 击 性 能 明 显 提 高，其 冲 击 强 度 提 高 约 损率 。 ［１１］ 根据粘附理 论 和 宏 观 统 计 学 可 知，当 纤 维 长
数 × （５０～１００００）。
３ 结 果 与 讨 论
３．１ 短 切 纤 维 和 连 续 碳 纤 维 增 强 滑 板 性 能 对 比 表 １ 列 出 的 是 两 种 试 样 的 性 能 ，样 品 中 碳 纤 维 、酚
＊ 基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（２０１１ＣＢ６０５６０１）；国家自然科学基金资助项目（５０９０２０８８）；山 东 省
袁 华 等：碳纤维增强受电弓滑板的性能表征
醛树脂、石 墨 的 质 量 分 数 依 次 为 ４０％、３０％、３０％，铜
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板 中 ，纤 维 混 杂 排 列 ，平 行 于 冲 击 面 的 纤 维 不 仅 没 有 起
网含量为 １５％。 从表 １ 中可以看出，与短切碳纤维 增 到增强作用，反 而 隔 断 连 续 的 基 体，因 此 冲 击 值 较 低。
纹扩展至纤维 树 脂 界 面 时，界 面 先 被 破 坏 而 使 裂 纹 转
向，载荷从基体转移 到 碳 纤 维，纤 维 承 受 剪 切 力，从 而
延迟材料 的 失 效 断 裂 。 ［１４］ 从 图 ３（ａ）中 可 以 看 出 纤 维
有拔出和脱粘。这可以解释为在试样的制备过程中由
于纤维、基体热膨胀系数有差异，会在纤 维 与 基 体 界 面
滑板的冲击 性 能 和 耐 磨 性 明 显 优 于 短 切 纤 维 增 强 滑
板 ；碳 纤 维 含 量 对 滑 板 的 机 械 性 能 影 响 较 大 ；纤 维 与 树
脂界面结合良好；受 电 弓 滑 板 在 摩 擦 过 程 中 最 主 要 的
机 械 磨 损 形 式 是 磨 粒 磨 损 、粘 着 磨 损 和 氧 化 磨 损 。
关键词： 碳纤维；受 电 弓 滑 板；冲 击 性 能；摩 擦 系 数；
磨损机理
中 图 分 类 号 ： ＴＢ３３２
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００１－９７３１（２０１１）０６－１０９４－０３
１ 引 言
受电弓滑板是 电 力 机 车 导 入 电 能 的 主 要 元 件，受 电弓弓头上的滑 板 与 路 网 导 线 接 触，以 与 电 力 机 车 运 行相同的速度 与 导 线 （多 为 铜 线［１］）发 生 摩 擦，并 传 导 大约１００～１０００Ａ 的 电 流，输 送 给 电 力 机 车［２，３］，因 此 受电弓滑板质量稳定是高速列车正常行驶的前提。
２．２ 样 品 制 备
将溶有一定量的改性酚醛树wenku.baidu.com和石墨的酒精溶剂
涂覆于碳纤维布上，在 ５０℃ 下烘干，与铜网依次铺 层，
用 ＹＴ０７１－１００Ａ 型热压机模压制备成连续碳纤维增 强 滑 板 试 样 ；将 定 量 的 改 性 酚 醛 树 脂 、石 墨 和 短 切 纤 维 混
合均匀烘干后，以 相 同 的 模 压 条 件 制 备 短 切 纤 维 增 强
３．３ 滑 板 抗 冲 击 性 能 分 析 选择用纤维增强滑板的冲击断面形貌来研究滑板
界面状况。图３是两种纤维增强滑板试样冲击断面的 ＳＥＭ 图片。一般来说，复 合 材 料 的 冲 击 强 度 取 决 于 纤
维和树脂的界面性能 。 ［１３］ 在冲击 载 荷 的 作 用 下，首 先
基体会发生 断 裂。 裂 纹 起 始 于 基 体 然 后 扩 散，当 微 裂
自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２００９ＺＲＢ０１９Ｃ８）
收 到 初 稿 日 期 ：２０１０－１０－２１
收到修改稿日期：２０１１－０１－１８ 通讯作者：王成国
作 者 简 介 ：袁 华 （１９８５－ ），女 ，山 东 威 海 人 ，在 读 博 士 ，导 师 王 成 国 教 授 ，主 要 从 事 碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 制 备 研 究 。
的排列方向不同有关。连续纤维增强滑板冲击性能较
好与碳纤维良好的 取 向 性 有 关。 从 图 ３（ｃ）可 以 看 出，
图 ２ 碳 纤 维 含 量 与 摩 擦 性 能 的 关 系
纤维表面的沟 槽 明 显，这 有 利 于 纤 维 与 树 脂 界 面 的 结 合。
以滑板的冲击强度大幅度提高。在短切碳纤维增强滑 磨损量较大。
表 １ 碳 纤 维 布／短 切 纤 维 增 强 滑 板 性 能 对 比
Ｔａｂｌｅ １Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ＣＦＲＰ／ｓｈｏｒｔ ＣＦ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｓｌｉｄｅ ｐｌａｔｅ
增强材料
碳纤维含量（体积分数，％） 电阻率（μΩ·ｍ）冲击强度（ｋＪ／ｍ２） 体积磨损量（ｍｍ３） 摩擦系数
对连续纤维增强滑板 的 机 械 性 能 （冲 击 强 度α、体 积 磨 损量Ｖ、摩 擦 系 数μ）与 碳 纤 维 含 量 Ｗｆ 的 关 系 进 行 了 研究，如 图 １、２ 所 示。 图 １ 结 果 表 明，碳 纤 维 含 量 ＜ ４０％时，随着碳纤维含量的增加，滑板 冲 击 强 度 逐 渐 提
量较大；随着 Ｗｆ 增加，材料结构得到增强，摩擦力 矩 随 之增加，摩 擦 系 数 增 加，磨 损 量 降 低；当 Ｗｆ 较 大 （＞ ４０％）时，相对来说树脂的含量较 低，纤 维 容 易 被 拉 出、 脱 粘 ，因 此 摩 擦 力 矩 降 低 ，磨 损 量 急 剧 增 加 。
Ｓｈｏｒｔ ＣＦ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ＣＦ
４０ ４０
１９．５０ ２３．９２
１４．５ ６６
２９．０４ １５．８２
０．１８３１ ０．２１５６
３．２ 碳 纤 维 含 量 对 滑 板 性 能 的 影 响
摩擦力矩最大。Ｗｆ 较小（＜３０％）时，纤 维 的 增 强 效 果
碳纤维含量 的 变 化 对 滑 板 的 性 能 有 很 大 的 影 响。 差，各 组 分 容 易 发 生 剥 落，因 而 摩 擦 系 数 小，体 积 磨 损
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２０１１ 年 第 ６ 期 （４２）卷
碳纤维增强受电弓滑板的性能表征 ＊
袁 华１，２，王 成 国２，卢 文 博２，于 美 杰２，陈 旸２，乔 琨２
（１．山东大学 材料科学与工程学院 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室 ，山东 济南 ２５００６１； ２．山东大学 材料科学与工程学院 碳纤维工程技术研究中心，山东 济南 ２５００６１）
高；纤 维 含 量 继 续 提 高 时，滑 板 的 冲 击 强 度 反 而 下 降。 这可以解释为滑板中树脂的含量相对降低到一定水平 时，复合材 料 出 现 缺 胶 现 象，受 力 时 容 易 发 生 界 面 破 坏 ，纤 维 容 易 发 生 脱 粘 ，增 强 效 果 降 低 ，冲 击 性 能 降 低 。
１０ｍｍ×４０ｍｍ。 按 式 （２）计 算 摩 擦 系 数 μ：
μ
＝
１ ｐ×ｄ
（２）
ｐ 为载荷，Ｎ；ｄ 为磨轮半径，ｍ；ｌ为力矩，Ｎ·ｍ。
采用 ＪＳＭ－６７００Ｆ 场 发 射 扫 描 电 镜 （日 本 ＪＥＯＬ）
观 察 试 样 断 裂 面 及 磨 损 形 貌 ，测 试 电 压 ５．０ｋＶ，放 大 倍
２ 实 验
２．１ 实 验 材 料 碳纤 维 布：玻 纤／连 续 碳 纤 维 （１２ｋ，Ｔ３００）以 ０°／
９０°编织而成；短 切 纤 维：江 苏 宇 杰 碳 纤 维 科 技 有 限 公
司提供，３～５ｃｍ；改性酚醛树脂：济南圣泉化工股 份 有 限 公 司 提 供 ；铜 网 、酒 精 ：市 售 。
从 图 ３（ｂ）、（ｃ）可 以 看 出 ，纤 维 断 面 比 较 平 整 ，断 裂
纤维大部分处于同一平面上，纤维拔出 较 少，说 明 纤 维
与基体的界面结合力较大，可以允许载 荷 转 移，表 现 为
试样的冲击值较高。并 且 比 较 图 ３（ａ）、（ｂ）可 知，短 切
碳纤维增强滑板的冲击性能不均匀与不同部位碳纤维
目前我国铁路电力机务段通常采用的受电弓滑板 有３种［４］：粉末冶金铜滑板、浸金属 滑 板 和 进 口 纯 碳 滑 板（两侧包 铝）。 粉 末 冶 金 铜 滑 板 的 强 度 和 硬 度 极 高， 在 实 际 线 路 运 行 中 ，对 接 触 导 线 的 磨 损 非 常 严 重 ，由 于 是金属 基，在 运 行 中 易 产 生 离 线 电 弧 造 成 潜 在 的 事 故 。 ［５－７］ 浸金属滑板集中了碳材 料 和 金 属 材 料 的 优 点 ， 与接触网导线形 成 的 接 触 面 比 较 光 滑，耐 磨 性 大 大 提 高，但抗冲 击 能 力 不 足，易 出 现 掉 块，维 护 成 本 偏 高。 进口纯碳滑 板 从 目 前 的 使 用 情 况 看 优 于 上 面 两 种 滑 板 ，但 其 具 有 脆 性 和 抗 冲 击 强 度 差 ，所 以 同 样 会 出 现 断 裂和掉块现象 。 ［８］ 且 该 滑 板 的 价 格 较 高，也 不 适 合 实 际应用。目前，国 内 对 使 用 碳 纤 维 增 强 复 合 材 料 作 为 受电弓滑板的报 道 较 少，而 碳 纤 维 增 强 复 合 材 料 可 以 在较大范围内调 整 电 阻 率，灭 弧 性 好，且 具 有 耐 磨、耐 热冲击和对 导 线 减 摩 性 好 等 ［９，１０］ 特 点，因 此 该 材 料 有 望成为电力机车受电弓滑板的理想材料。
摘 要 ： 采 用 改 性 酚 醛 树 脂 为 粘 结 剂 ，连 续 碳 纤 维 和 短切纤维为增强 相，铜 为 导 电 相，石 墨 为 润 滑 相，利 用
热压技术制备碳纤维增强受电弓滑板。对试样进行电
阻测试、冲击试验以 及 磨 损 试 验，利 用 ＳＥＭ 对 冲 击 断
面和磨损形貌 进 行 观 察。 结 果 表 明，连 续 碳 纤 维 增 强
３５０％；磨损性能有 所 改 善，体 积 磨 损 量 是 短 切 纤 维 增 度方向与摩擦方向垂直时，摩擦系数最大；短切纤维增
强受电弓滑板 的 一 半，且 摩 擦 系 数 较 大。 碳 纤 维 与 石 强时，摩擦系数次之；当纤维长度方向与摩擦方向平行
墨均有一定程 度 的 石 墨 化，但 与 金 属 相 比 其 导 电 率 较 时，摩擦系数最小 。 ［１２］ 连续碳纤维增 强 滑 板 中 ５０％ 的
缺 口 试 样 ，其 冲 击 强 度 ａ（ｋＪ／ｍ２）按 式 （１）计 算 ：
ａ
＝ｂ
Ｅ ×ｄ
×１０３
（１）
其中，Ｅ 为试样吸收的冲击能量，Ｊ；ｂ为试样宽度，
ｍｍ；ｄ 为试样厚度，ｍｍ。
使用 ＭＭ－２００型摩擦磨损试验机对滑板进行磨损 性能研究。摩擦副为滑板块／紫铜环，法向载荷 ２００Ｎ，
转速 ４００ｒ／ｍｉｎ，持 续 时 间 １ｈ。 试 样 尺 寸 为 １０ｍｍ×
低，属 于 半 导 体 范 畴，在 受 电 弓 滑 板 中 主 要 导 电 相 为 碳纤维均匀垂直于摩擦表面，故摩擦系数大。 另外，由
铜，因此两种试 样 的 电 阻 率 的 差 别 较 小。 连 续 碳 纤 维 于短切纤维增强 滑 板 中 纤 维 较 短 不 连 续，所 以 在 磨 损
增强滑板中碳纤维的取向性好，材料增强效果明显，所 过程中容易脱落成为磨粒，对试样表面切削磨损，所以