（动力机械及工程专业论文）Tilt3gtAlClt2gt材料的载流摩擦磨损行为.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 为实现t i 3 s i c 2 系导电陶瓷材料在高速列车受电弓滑板的应用， 对该材料体系的重要成员t i ，a l c 2 的摩擦学特性进行了基础性研究。 在大功率载流摩擦磨损试验机上，以低碳钢盘为对磨体，对高纯、多 晶t i 3 a 1 c 2 块体的摩擦、磨损性能进行了测试。对电流、法向载荷、 相对滑动速度等因素与摩擦系数及磨损率之间的关系对行了科学描 述。 研究结果表明，无论通电与否，摩擦系数呈现随法向载荷的增大 而减小的趋势，随速度的增大也同样减小的趋势；但是电流的引入， 使得摩擦系数的水平升高，并且越大的电流，摩擦系数升高越明显。 同样无论电流是否存在，磨损率随速度的增大而增大的规律未曾改 变，但是较大的电流带来了较高的磨损率，这一点在1 0 0 a 的高速滑 动速度中尤为明显，且对速度变化敏感。在未通电状况下，较低速下 的磨损率随法向压强增大而缓慢增大；电流的介入改变了这一趋势， 并且这一过程随电流的增大影响显著。电流在摩擦过程中影响明显。 在适宜的接触压力与电流密度下，t i 3 a 1 c 2 材料有着良好的耐磨性。 在摩擦过程中自润滑机制发生的原因是摩擦面的氧化层，它是影响摩 擦系数、磨损率的重要因素之一，而氧化层的形成与破坏都受电流、 法向载荷及速度的影响。 关键词：t i 3 a 1 c 2 、摩擦系数、磨损率、氧化层、载流摩擦 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a 矗m d 锄e m a lr e s e a r c ho nm et r i b o l o g i c a lp r o p e m e so ft i 3 a l c 2t 1 1 a t i sa s 趴i m p o r t a l l tm e m b e ri nt l l et i 3 s i c 2c l a s sc e r a m i c sw a sc a r r i e do u t ， i no r d e rt o 叩p l yt h ec o n d u c t i v et i 3 s i c 2c l a s sc e r a r i l i c st of a b r i c a t et 1 1 e p a m o 乒印hs t r i po ft 1 1 eh i 曲s p e e d 廿a i n t h ed r y l y s l i d i n g 衔c t i o na n d w e a rb e h a v i o r s0 fa1 l i g h l y - p u r ep 0 1 y c r y s t a lb u l kt i 3 a 1 c 2p r e p a r e d 、c r e t c s t e db yac u r 托n t c a r r y i n gl l i g h s p e e df r i c t i o n w e a rt e s t e r ，u s i n ga1 0 w c a r b o ns t e e ld i s ka st 1 1 ec o u n t e r p a n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n 血e 衔c t i o n c o e m c i e m ，m et 1 3 a 1 c 2 、a rr 砒ea f l dt h ec u r r e mi m e n s i t y ，t h e1 1 0 m a l p r e s s u r ea r l dm es l i d i n gs p e e dw e r ec h a r a c t e r i z e d t h er e s u l t ss h o w e dt l l a t ，i r r e s p e c t i v eo ft h ec 呲e n t ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i t hi n c r e a s ei nm en o m l a lp r e s s u r ea n d 世l es l i d i n g s p e e d ，w h i l et h e 衔c t i o n c o e f f i c i e n ts i g n i f i c 趾t l yi n c r e a s e sw h e nm e c u n 蜘瞳i sa p p l i e d ，a n dal a 唱e rc u r r e n ti n t e n s i t yl e a d st oah i g h e rf r i c t i o n c o e m c i e m t h et i 3 a l c 2w e a rr a t ei nm ec h a i l g i n gt e n d e n c yt h a ti n c r e a s e s w i t hi n c r e a s ei nt 1 1 es l i d i i l gs p e e di si n v 撕a b l e 、i t ho rw i t h o u tt h ec u r r e n t t h ct i 3 a l c 2w e 盯r a t ei si n c r e a s e dw h e nt h ec u 玎e n ti s 印p l i e d h o w e v e r ， 也et i 3 a 1 c 2w e a rr a t ei sm o r es e n s i t i v et 0t h es l l d i n gs p e e d w i m o u t c u r r e m ，t h et i 3 a l c 2w e a rr a t ei n c r e a s e ss 1 0 w l y w i t hi n c r e a s ei nm e n o n n a lp r e s s u r ew h e nt l l es l i d i n g 印e e di sl o w e lb u t ，t h ec h a n g i n g t e n d e n c yi sc h a n g e dl l l l d e rt h ec u e n t - c a y i n gm c t i o n ，a n dm el a 娼e r c u r r e n tc a u s e st h e 鲈e a t e re f i e c t t i 3 a l c 2h a sg o o dw e a rr e s i s t 髓c ef o ra p r o p e rn o m l a lp r e s s u r ea n d c u r r e n t t h es e l f - 1 u b r i c a t i o ne f r e c to f7 n 3 a l c 2 i sp r e s e n t e dd u et ot h ee x i s t e n c eo fa no x i d en l mo v e rm e 衔c t i o ns u r f 酏e o ft i 3 a l c 2 t h ef 0 肌a t i o no rd i s a p p e a r a n c eo ft h eo x i d ef i l mi sg o v e m e d b yt h ec u r r e n t ，也es l i d i n gs p e e da s 、v e h a st h en o r m a lp r e s s u r c k e y w o r d s ：t i 3 a l c 2 ，f r i c t i o nc o e f f i c i e m ，w e a rr a t e ，o x i d ef 1 1 m ， c u r r e m - c a r r y i n gf h c t i o n 2 北京交通大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 铁路一直以来被喻为是“国民经济的大动脉”。随着我国国民经 济持续多年的快速、稳步发展，对交通、物流的需求使得铁路原有的 “绿皮车”已经无法再适应当今的要求。为解决这一日益突出的矛盾， 高速化成为今后铁路发展的必然方向。 自上世纪六十年代起，以日本、法国和德国等发达国家相继采用 轮轨式电力牵引技术实现了铁路的高速化，运营时速已达2 4 0 一3 0 0 h l 。日本新干线、法国t g v 和德国i c e 多年的成功运营产生了巨大 的经济效益和社会效益。实践证明，无论是在运输能力、通达速度， 或是安全、能耗、环保等方面，依托轮轨电力牵引技术的高速铁路具 有其它陆上交通方式无可比拟的优越性。 与发达国家相比，我国在此方面起步很晚，差距几近半个世纪。 我国辽阔的疆土、众多的人口、不平衡的区域经济和稳步高速发展的 国民经济使得我国对高速铁路的需求比任何时期、任何一个国家都强 烈。为此，我国制定了铁路跨越式的发展战略。1 9 9 7 年4 月1 日，京 沪、京广、京哈三大干线的全面提速打开了中国铁路的新局面，中国 铁路开始了迅猛发展。时至今日，五次成功的全国铁路大提速后，我 国时速达到1 6 0 公里的运营线路已达7 7 0 0k m ，其中包括了广深准高 速线和秦沈客运专线。2 0 0 6 年l o 月，我国将进行时速2 0 0k m 的第 六次全国铁路大提速，3 0 0 公里以上的高速铁路和客运专线也将在未 来的几年内实现。 铁路的不断提速，给人民的生活带来了巨大方便，促进了经济、 文化等各方面的发展。而在不断提速的背后，高新技术问题不断出现， 即便是在日本、法国、德国这些成功运营高速铁路多年的发达国家， 一些技术问题仍然没有很好解决，困扰依旧存在。 北京交通大学硕士学位论文 受电弓滑板，是高速列车从接触网线上获取电能的关键部件，被 喻为高速列车的“咽喉”部件。其重要性、关键性不言而喻。受电弓 滑板从高达2 5k v 的接触导线上获耿电能，其受电电流高达数百安培， 并且随着列车运行速度的提高，电流还将进一步增大。在列车运行过 程中，受电弓滑板与接触网线高速滑动摩擦，同时承鬓工趱亘塞接的 大电流，受到接触网线硬点和冰凌的高速撞击，受到高速撞击后弹性 波动、换相区间等引起的离线电弧的烧蚀，以及风、霜、雨、露、冰、 雪、沙、尘等自然因素的侵蚀。在多种复杂因素的综合影响下，受电 弓服役条件非常苛刻。而高速运行的列车上的滑板一旦发生断裂、破 碎，将严重危及行车安全，影响整个路网的正常运营。因此，要求它 的使用必须安全经济，既对接触导线磨耗小，自身有足够的使用寿命， 又不影响弓网关系【1 0 。 一般来说，好的受电弓滑板需具备七个基本条件：强度高、电阻 率小、耐热性好、对接触导线磨损小、自身磨耗小、易加工、低成本 1 】。自日本新干线高速铁路开通起，随着列车速度的提高，滑板材料 大体上经历了三代：第一代所使用的合金材料对接触导线磨损太大， 已经被各国所淘汰：第二代是添加自润滑颗粒的铁基或铜基粉末冶金 材料，其自身磨损较快，同时没有解决对接触网线的磨损问题，目前 我国的干线客车已经禁止使用；第三代是碳基浸金属材料，主要解决 了自润滑问题，但自身磨耗商、强度低、电阻大，也没有从根本上解 决受电弓滑板问题。日本新干线滑板寿命为4 万5 万公里( 使用1 2 1 4 天 1 ) ，也未达到理想要求。目前国产尚不具备生产适合高速列车 用的受电弓滑板，提速列车使用的全部为价格昂贵的进口的滑板。 碳基滑板历经多年研究，采用了多种技术和制造工艺，但在性能 上始终没有得到质的提高。与此同时，铁路的高速化进程却刻不容缓。 铁路高速化之后，在我国辽阔的幅源上天南地北的两个城市间的交通 更为便捷，哈尔滨和昆明间近4 5 0 0 公里距离上的夕发朝至式直达成 为可能。在如此大的跨距上、从一边的烈日炎炎到一边的天寒地冻， 这是到目前为止，世界上任何一个运行了多年高速铁路的发达国家在 自己的本土从来没有碰到过的苛刻条件。这就要求我们自主开发出新 北京交通大学硕士学位论文 体系的高性能材料来满足我国高速铁路发展的需要。 钛硅碳( t i 3 s i c 2 ) 系材料是结构、导电和自润滑多功能合一的新 型材料体系，具有类似金属的导电、导热、易加工和类似陶瓷材料的 轻质、抗氧化、耐高温等特性。翟洪祥教授在进行了全面细致的调查、 研究之后，原创性的提出了将t i 3 s i c 2 系材料应用到受电弓滑板的构 想f 1 1 。这一原始性的创新得到了国家8 6 3 计划新材料领域高性能结构 材料技术主题的支持。“t i 3 s i c 2 系材料在高速列车受电弓滑板的应用” 研究由此在北京交通大学等单位展开。随后，t i 3 s i c 2 系材料相关的基 础研究也得到了国家自然科学基金项目的资助。这一研究的意义不仅 在于解决了高速铁路技术发展的难题，确立了中国高速铁路部分关键 技术国际领先的地位，还将成为高技术陶瓷材料在国家重大工程中成 功应用的典范。 t i 3 a l c 2 是t i 3 s i c 2 系中极为重要的一种新型材料。本文对t i 3 a 1 c 2 的载流摩擦磨损性能的研究是该8 6 3 项目和国家自然科学基金项目中 极其重要的环节，是基础性科学研究。 1 2 t i 3 s i c 2 系材料的结构与特性 t i 3 s i c 2 系材料是一类具有层状结构的三元碳化物，可用统一的分 子式m n + 1 a x n 表示，其中m 为过渡金属，a 主要为a 和i v a 族元 素，x 为c 元素或n 元素，n _ 1 ，2 ，3 。码s i c 2 系材料，属六方晶系， 其空间群结构为d 基p 6 ，m m c 。 图l 一1 分别是n _ l ，2 ，3 时，即2 l l ，3 1 2 和4 1 3 相m n + i a x 。系 列材料的晶体结构。 北京交通大学硕士学位论文 f l a ，e 墙 ( 且) i；车 ： 留 i i 瞄 i鞫 芬 ) 0 i i 鎏 ；塞 卜_ = 色 ； ) ： l 藿 j o 蛄 j i m - l a w 腮x ( c ) 图l l2 1 l 、3 1 2 和4 1 3 相m n + 1 a x 。系材料结构图 f i g l 一1 u n i tc e l l so f 2 1 1 ，3 1 2 d 4 1 3p h e c 岂今为止，人们已经发现的t i 3 s i c 2 系三元化合物的种类已经超 过5 0 种，其中大部分属于2 1 1 相三元化合物，而尤以4 1 3 相化合物 最少，仅t i 4 a l n 3 一例 4 9 】。表l l 列出了目前发现的大多数t i 3 s i c 2 系三元化合物及其它们的晶格常数与理论密度 1o 】。 4 【_个；，i c；，匕 北京交通大学硕士学位论文 表1 1 岂今发现的绝大多数的m n t l a ) ( 。系化合物，后边标出了理论密度( 1 0 3 o k g ，m 3 ) ，括号是为晶格常数( 单位一) t a b l e1 - 1 ，s u 舢蛳盯o f a l lm n + 1 a x np h a s e sk n o 啪t o 出f e t h em e o r e d c a 】d e i l s i f y o ( 1 0 3k g ，m 3 ) i si nb d dk h e r s 1 kaa n dc1 a 撕c ep a r 枷e t e r s ( 彳) a r ei nb r a c k e t s b丑王kivvvl a l s ips 1 t ， l c ， l l ( 3 0 4 ，1 3 ，6 0 )t i # c ，t 以 v l l c ，4 - ”( 3 1 1 3 ，)哪 ( 3 2 1 6 ，1 1 2 2 ) c r 4 l c s 斟( 2 1 幺8 )t 垆i q 删 z r | s c ，渤 n b t 柚c 5 0 ( 3 。10 1 3 8 ) 4 - s 2 ( 3 a 7 7 1 0 1 9 1 )( 3 ，1 2 1 3 ) t 啦i c ，1 l j 绉( 3 帆1 3b ) ( 3 j 0 6 6 5 1 7 f 7 1 )n b ，cn b ，s c ， t 量l 料4 j 1 ( 2 触1 3 6 1 4 ) 7 0 2 7 ，1 1 4 ) t b l c p 帖p 胛5 ，1 8 册) ( 3 甥，1 1 5 )h s c t i j 州7 6 ( 2 9 髓3 7 2 ) ( 3 3 6 1 l 舶) g ag ea s 2 n n ，g 矗g 心( 3 0 7 1 3 弼 码6 矗帮 v 工g - c ，3 ( 2 9 3 ，l 互聊( 3 m 1 2 ，9 ，)v ， s e c r ，g c ，舯( 2 鹤1 2 6 1 ) v 1 6 6 3 n b 加c 7 竹0 1 3 ，1 3 - 5 6 )( 3 1 2 四( 3 1 l ，1 1 3 ) m 0 ，g - c & 7 90 | 0 1 1 3 1 8c 。g t c 6 瑚 t i 舳c 。1 3 峙( 3 ，1 0 1 3 期( 2 9 5 j z )舳乒c n l g n ，螂口啪，1 3 3 )刖，g c ”置船 & n 2 5 c r 如_ n n ( 2 盯5 ，1 2 7 乃 ( 3 1 7 7 6 )( 3 3 i 1 l r 9 ) v 舟n - 5 ( 3 。1 3 3 ) c dl ns n s c j n c1 封铀c 3 t l d ct i i i 啊c 2 ( 3 1 3 1 0 6 ) ( 3 1 自1 3 酊9 ) 蔓- 1 z r 4 i c ，1a 3 由1 4 9 1 )盘；i i c ，7 1 6 s bt e ( 3 1 ， n b 扣c ，( 3 4 3 7 ) ( 3 3 s 7 6 ，1 4 册 】4 4 j ) l l j c 1 l 5 7f 3 3 0 ，j 4 7 3 )n b ，铀c 8 t 咖n - 鲥0 盯t 1 3 9 7 ) ( 3 2 4 1 1 3 8 0 2 ) z r 如n 7 韵( 3 巩1 4 鳓h 肇n c 1 1 a ( 3 3 2 0 1 4 3 蠲) 蛐骚n n ，7 7 2 ( 3 3 1 】4 3 ) t 1 p bb i t l 丹c & 韶( 3 15 ，1 3 孵)t i 】p h c & 跖 z r j l c 9 1 7 ( 3 3 6 ，1 4 7 8 ) ( 3 2 0 ，t 3 引) 删四c1 3 醪( 3 3 2 ，i 4 眈)z r ，w ，” z f 一虬 捕( 3 3 ，1 4 7 1 ) 3 3 & l 屯6 6 h p w ，l z 1 3 0 5 5 ，1 4 4 6 ) 北京交通大学硕士学位论文 一般来讲，t i 3 s i c 2 系列材料具有如下的一些性质 1 0 ： 作为一种易于加工的陶瓷材料，t i 3 s i c 2 系列中的某些材料( 如 t i 3 s i c 2 ，t i 3 a l c 2 和t i 嘏】n 3 ) 具有相当高的弹性模量( t i 3 s i c 2 具有与t i 金属相仿的密度，却拥用高达3 2 0 g p a 的弹性模量， 约为t i 金属的三倍) 1 l 1 3 。这就意味着t i 3 s i c 2 系系列中 的一些材料将可能替代镀，成为可加工高刚度材料。由于这 类化合物独特的层状结构，正如之前科学工作者所预料的那 样，t i 3 s i c 2 系系列材料展现出了非同寻常的机械性能。这类 化合物的v i c k c r s 硬度值在2 5g p a 的范围类，相较其他的 过渡金属碳化物和氮化物而言较软。 具有较小的密度的同时，拥用较好的刚度；室温下有较好的 加工性能。 具有不错的断裂韧性 1 1 1 4 。 都具有较好的导电、导热性能，电导率为2 1 5 1 0 6 q - 。聊， 热导率为2 0 5 0 矸，肌k 。【5 】 1 0 】【1 5 具有极低的摩擦系数和自润滑性。t i 3 s i c 2 ( 2 l o - 3 ) 材料与 m o s ：和石墨相比，具有较低的摩擦系数，即使裸露空气中达 六月之久后，所测摩擦系数仍低至5 1 旷3 。 对比受电弓滑板材料所需要的七个条件，与碳基滑板材料相比， 这类材料具有相当大的潜力。 1 2 1t i 3 s i c 2 材料的结构与特性 t i 3 s i c 2 具有与t i 3 a l c 2 相似的结构与性能，3 1 2 相的m n + i a x n 三 元化合数较少，目1 j 发现的仅仅有三种分别是t i 3 s i c 2 【1 6 】、t i 3 a 1 c 2 1 7 【1 8 和t i 3 g e c 2 1 9 。而含有s i 元素的三元化合物仅仅t i 3 s i c 2 一种， 目前还没有含s i 的三元氮化物报导。1 9 6 5 年，b m c k l 【2 0 通过x r d ( x r a yd i 衢a c t i o n ) 方法，测得一组有别于t i ，s i 和c 所有二元化合 物的衍射峰。1 9 6 7 年，j e i t s c h k o 和n o w o t n y ( 1 6 【1 9 等人首次通过化 6 北京交通大学硕士学位论文 学气相沉积( c v d ) 的办法，以t i h 2 ，s i 和石墨为原料，在2 0 0 0 下合成了t i 3 s i c 2 ，并成功她测定了其晶体结构。t i 3 s i c 2 由共棱的t i 6 c 八面体构成，由s i 原子所形成的平行四面形s i 层将t i 6 c 八面体分开， c 原子位于八面体的中心，每一个晶胞中含有两个t i 3 s i c 2 分子 1 6 】， 其中t i 原子占据2 a 和4 f 位置，s i 原予占据2 b 位置，c 原子占据4 f 位置。后来，人们更精确的测定了其晶格参数为a _ 0 3 0 6 6 5n m 和 c = 1 7 6 7 1i l i n ，理论密度为4 5 3 c r n 3 ，熔点高达3 0 0 0 1 0 】【1 4 。其 晶体结构如图1 2 所示。 3 o 拍5 图1 - 2t i 3 s i c 2 的晶体结构图 f 培1 - 2u n i tc e l l so f t i 3 s i c 2 t i 3 s i c 2 综合了金属与陶瓷优点于一身的性能逐渐被人们所发现， 并引起了研究人员的极大兴趣。近几年来，世界各地的科学家单独或 联合对其进行了与之相关的大量研究。研究范围包含了材料的合成、 性能的测试等等。在硬度测试中，单晶t i 3 s i c 2 显示出明显的各向异 性，垂直与平行方向的差异达到了三倍 2 1 】。 北京交通大学硕士学位论文 t i 3 s i c 2 的研究还在进一步进行，共价键与离子键的共存 9 1 0 】 【2 2 】【2 3 】使得t i 3 s i c 2 具有优异的综合性能。到目前为止，各国科学 工作者已经证明t i 3 s i c 2 是一种综合了金属与陶瓷优点的新型材料： 具有良好的电导率、热导率，抗热震性能好，并且在高温下表现出塑 性，可以使用一般的机械加工方法加工；同时具有像陶瓷样的高温 抗氧化性及较好的高温强度。表1 2 列出了t i 3 s i c 2 的一些主要性能 1 1 】 1 6 】【2 如3 0 】。 表1 2 ，t i ，s l c 2 材料的性能 ，r 曲l e1 2 ，p r o p e m e so ft i 3 s i c 2 性能名称单位 性能名称单位 密度g c 订 4 5 3 熔点 3 0 0 0 分解温度1 8 0 0 电导率 s ，i n4 5 1 0 6 热导率w “m k ) 3 7 热容 j ，( k g - k ) 5 8 8 膨胀系数 k _ 1 9 2 1 矿维氏硬度g p a4 泊松比0 2 摩擦系数( 2 5 ) x l o 3 杨氏模量g p a3 2 6剪切模量g p a1 3 5 拉伸强度m p a3 3 0弯曲强度m p a6 0 0 抗压强度m p a1 0 5 0 抗热震 1 4 0 0 r t 断裂韧性 m p a m ”1 6 氧化速率 k 9 2 ( 1 4 s )1 0 4 ( 1 4 0 0 ) 氧化速率 k 毋c i n 4 s )1 矿( 9 0 0 ) 1 2 2 t i 3 a l c 2 材料的结构与特性 在所有的t i 3 s i c 2 系三元化合物中，a 1 的化合物较多，计有八种， 其中包含了为数不多的3 1 2 相和4 1 3 相三元化合物。其中t i 3 a l c 2 有 与t i 3 s i c 2 相似的结构与性能。t i 3 a l c 2 发现较晚，是二十世纪九十年 代初，由p i e t z k a 和s c h u s t c r 在研究t i a l c 相图时发现的【1 7 【1 8 】。 t i 3 a 1 c 2 的晶格参数为a _ 0 3 0 7 5 3 姗和c = 1 8 5 7 8 衄，理论密度为 4 2 5 c m 3 1 】。图1 - 3 为t i 3 a l c 2 的晶体结构示意图。对比t i 3s i c 2 的 晶体结构示意图。二者具有完全相同的结构形式，t i 3 a 1 c 2 同样是由 8 北京交通大学硕士学位论文 共棱t i 6 c 被m 原子所组成的平行四边形平面所分隔，c 原子同样位 于八面体的中心，每一个晶胞中含有两个t i 3 a l c 2 分子。 图1 3t i 3 a l c 2 的晶体结构图 f i g 1 3u n i tc e l l so ft i 3 s i c 2 与t i 3 s i c 2 一样，t i 3 a l c 2 兼具金属和陶瓷的特性，它能像金属一 样导电导热，有相对较低的c k e r s 硬度，在高温下具有塑性，能用 高速刀具进行加工。t i 3 a l c 2 也有与陶瓷一样的高弹性模量、低密度、 高温稳定性和良好的抗氧化性能【1 0 。 t i 3 a l c 2 陶瓷的力学性能与t i 3 s i c 2 一样，t i 3 a l c 2 的c k e r s 硬度 随加载的变化而变化 3 1 】【3 2 】。b a r s o u m 3 1 等人的研究表明，当加载 压力达到l o o n 以后，材料的c k e r s 硬度趋于稳定值3 5 g p a 。这些 测定的v i c k e r s 硬度值都比t i 3 s i c 2 相应的v i c k e r s 硬度值低，这是由 于t i 3 a l c 2 中的t i ( i i ) 原子与a l 原子结合较弱，降低了材料的硬度， 也使得材料便于加工。同时显微组织观察发现，材料中存在多重能量 ：。1。l 北京交通大学硕士学位论文 吸收机制，如分层、晶粒排出、晶粒弯曲等，来抵抗材料的破坏。 t i 3 a l c 2 陶瓷在室温下抗压强度约为7 6 4m p a ，其脆性向塑性的转 变温度点在1 0 0 0 1 0 5 0 3 1 3 2 。材料的破坏存在两种形式，即 在低温下的剪切破坏模式和高温下的塑性破坏模式。由于t i 3 a l c 2 层 与层之间的结合力弱，使得材料极易发生剪切滑移，偏转了裂纹扩展 路径，提高了材料的抗破坏能力。 b a r s o u m 【3 l 】等人测得的含有4 v 0 1 a 1 2 0 3 的t i 3 a 1 c 2 的四点抗弯 强度为3 7 5 1 5 m p a ，并且随着增加到1 0 0 n ，其弯曲强度值有很小的 变化。周延春等人【3 2 制得的t i 3 a l c 2 陶瓷的三点抗弯强度为 3 4 0 m p a ，平面应变断裂韧性为7 2 m p a m “2 。研究发现，裂纹的扩 展路径是“之”字形的，在断裂面上也能够观察到t i 3 a 1 c 2 晶粒的桥 联和拔出，这极大地提高了材料的韧性。这表明t i 3 a 1 c 2 材料自身具 有较好的强度。 t i 3 a 1 c 2 陶瓷是良好的导电体。在3 0 0 k 时，其电阻率随温度升 高而升高，这点与金属类似，电阻与温度的关系可以用下式表示： p ( f ) = 风o o 扯+ g x 婶一3 0 0 ) j ( 1 1 ) 式 中，岛。0 为3 0 0 k 时的电阻率，口为电阻温度系数。3 0 0 k 时的电导率 约为3 4 8 1 0 6 0 0 m 一，口约为o 0 0 3 l o 0 0 3 5 k - 1 【3 1 】 3 2 1 。 t i 3 a 1 c 2 良好的导电性决定了它良好的导热性。在室温时的热容 为1 2 5 4j m o l 。k - 1 ，室温和1 l o o 的热导率分别为2 7 5 和2 8 5 w m 。1 k 。在2 5 1 2 0 0 的热膨胀系数为9 o ( 0 2 ) 1 0 4k - 1 3 1 3 2 】。这一结果表明，该材料具有优异的导电和导热性能。如此优异 的导电性能与碳滑板相比具有巨大的优势。 n 3 a 1 c 2 陶瓷具有比t i 3 s i c 2 更好的抗高温氧化能力。t i 3 a l c 2 块体 材料在1 0 0 0 1 4 0 0 流动空气中的恒温氧化动力学遵循抛物线规律， 即材料比表面增重的平方与氧化时间成正比 3 3 】 3 4 。试样氧化后会 在表面形成由z 0 3 和t i 0 2 组成的致密氧化膜。氧化屡可分为内外 两层，外层是极少量的t i 0 2 ，内层是致密连续的a 1 2 魄氯化过程 由n 和a l 离子的向外扩散和o 的向内扩散控制。在1 0 以下， t i 3 a 1 c 2 几乎不发生氧化，相比之下，碳在6 0 0 即开始麓生氯纯 0 北京交通大学硕士学位论文 b a r s o u m 3 1 等人的研究表明t i 3 a 1 c 2 还具有良好的耐热震性，温 度超过1 6 0 0 时，受压变形过程伴随着明显的塑性，且此时对应着非 常高的压应力( 1 2 0 0 时为2 0 0m p a ) 。这说明在高温下t i 3 a l c 2 具有 较好的抗热震性。 t i 3 a l c 2 材料自身具有较高强度、好的抗破坏机制、优异的导电 导热性能、抗氧化性、抗热震性和低的摩擦系数。这些优势绝大部分 是现有的浸金属碳材料所不具备的。因而从材料的自身机质上， t i 3 a l c 2 材料比碳更具优势，更有可能成为一种优异的载流载摩擦材 料。 1 3 t i 3 s l c 2 系材料的摩擦学特性研究现状 m y h r a 3 5 等利用l f m 测得t i 3 s i c 2 的动摩擦系数为2 5 1 0 ， 在压力o 1 声荭歹n i f 秭丽萌瓯砸迸面隔赢弱百簿藉豫 数为0 1 2 。 e 1 r a 曲y 和b a r s o u m 3 6 】等利用盘销式摩擦实验机，在压力为5 o n 、速度为0 1n 1 s 、滑行距离为4 6 3m 的条件下分别研究了粗、细颗 粒的t i 3 s i c 2 的摩擦磨损行为，测得t i 3 s i c 2 的平均摩擦系数o 8 3 左右， 粗细颗粒t i 3 s i c 2 的磨损率分别为1 3 4 1 0 _ 3m m 3 n m 、4 2 5 1 0 1 m m 3 ，n m 。 周延春 3 7 】等在压力为7 7n 1 4 ，7n 、速度为7 州s 下研究了 t i 3 s i c 2 基材料的摩擦磨损行为。测得摩擦系数在0 4 o 5 之间，磨损 率为9 9 1 0 。3 m m 3 n m 。 b a r s o u m 、e l r a 曲y 和周延春所测得的较高的摩擦系数与试验中 的摩擦速度、其块体的纯度及对磨体有关，并且，他们的摩擦的滑行 距离都很短，不具备工程参考性。值得注意的是，之前进行的试验， 滑行速度较低，且对摩体各不相同，这些试验对于“t i 3 s i c 2 系材料在 高速列车受电弓滑板中的应用”参考价值较低。随后，翟洪祥等人 3 8 4 3 进行了高纯t i 3 s i c 2 块体材料与低碳钢盘高速摩擦的达验，结 一一h w “h _ _ _ _ 。_ h _ d ，h _ 一一，p p ，一一 北京变通大学硕士学位论文 果表明，t i 3 s i c 2 挞措有较低的摩擦系数。 翟洪掸等人在自行合成的高纯度t i 3 s i c 2 块体材料的基础上，首 次进行襁菱磊斋黍释育而番瓣掼聂谥i 两：弄迸石了；藉渡 t i 3 s i c 2 与含t i c 杂相的块体材料的对比试验。研究表明 3 8 】，较高纯 度的t i 3 s i c 2 块体材料在与低碳钢盘对磨时，摩擦系数较低：而t i c 杂相的存在，使得摩擦系数偏高达到0 5 5 。翟洪祥等人的研究【3 9 4 1 4 3 墟蚕工担氩速度= 垂噬哑越过三! ! ! ! 垦楚型壅攘赛塑蹙兰! ! 毕 晌。结果表明：t i 3 s i c 2 材料具有较低的摩擦系数和较好的耐磨性，特 别是在高速、较大载荷的条件下这一点尤为突出，同时在摩擦过程中， 摩擦表面存在着一层致密的氧化层，氧化层的存在具有明显的减磨作 用。种种研究表明了t i 3 s i c 2 系材料在摩擦学方面具有非常大的潜力 和市场应用前景 1 。 在此基础上，翟洪祥等人更迸一步研究了t i 3 s i c 2 系三元化合物 家族中另一个极为重要的3 1 2 相化合物毋3 a l c 2 。新的研究 4 4 4 7 】 显示出t i 3 a 1 c 2 材料卓越的摩擦学性能，特别是在6 0 州s 高速摩擦过 程中，氧化层支配下的摩擦使得摩擦系数达到o 1 之低，同时，t i 3 a l c 2 材料也保持了良好的耐磨性能 4 4 】。 良好的机械摩擦磨损性能是载流摩擦的基础，现有的对t i 3 s i c 2 系材料高速条件下的摩擦磨损性能的研究是载流摩擦研究的基础。这 些研究表明，t i 3 a l c 2 材料在纯机械摩擦下具有优异的性能。t i 3 a 1 c 2 材料极有可能在载流摩擦中体现出优异的性能。 1 4本文研究的主要内容与意义 针对“t i 3 s i c 2 系材料在高速列车受电弓滑板中的应用”，本文主 要对t i 3 s i c 2 系中的一种极为重要的材料t i 3 a l c 2 ，进行了高速、载流 条件下摩擦磨损等相关特性的基础性研究。 为尽可能真实的模仿受电弓滑板在实际运行中的工作情况，同时 针对载流对摩擦、磨损的极大影响，设计了与工程应用密切相关的高 2 北京交通大学硕士学位论文 速载流摩擦磨损试验。通过载流摩擦磨损试验，研究了t i 3 a 1 c 2 材料 在载流条件下的摩擦磨损特性，并与未载流时的特性进行对比，结合 微凸体理论、滑动电接触摩擦磨损机理的相关理论，对t i 3 a 1 c 2 材料 载流摩擦磨损性能进行研究。 这些研究内容对于“t i 3 s i c 2 系材料在高速列车受电弓滑板中的应 用”具有重大的意义，也是国家自然科学基金项目研究内容的重要组 成部分之一。同时，本文首次进行了材料载流下的高速摩擦磨损试验， 这一做法国内外还未见报导，并指出了电流在摩擦过程中的具大影 响。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章试验研究 受电弓滑板材料性能的好坏取决于是否具备良好的高速载流摩 擦学性能。使用t i 3 s i c 2 系材料进行受电弓滑板的研究是前人从未有 过的原始创新，因而必须对这种材料进行深入的载流摩擦性能研究。 摩擦性能是摩擦副的综合特性，受到滑动过程中各种因素的影 响，如：材料副配对性质、法向载荷的大小和加载速度、滑动速度等。 这就使得摩擦学性能随着工况条件的变化而变化 4 8 。特别是载流条 件下的摩擦磨损试验，没有任何先例可供参考。在这种条件下，试验 显得犹为重要。 目前通常采用的实验方法可分为实验室试件实验、模拟性台架实 验和实际使用实验。 针对“t i 3 s i c 2 系滑板在高速列车受电弓滑板中的应用”，首先需 通过实验室试件实验来进行材料的基础摩擦磨损性能研究；在取得好 的结果后，继而在相关检测部门进行模拟性台架实验；继而进行进一 步的实际运用考核，即实际使用实验。实际使用实验的成功完成即标 志着t i 3 s i c 2 系滑板材料的初步开发成功。在这之中，实验室试件实 验是整个环节的基础，使用合理的实验设备至关重要。 2 2 大功率载流高速盘块式摩擦磨损试验机 由于实验方法和条件对实验结果的巨大影响。在实验室中进行实 验时，应当尽可能地模拟实际工况条件。针对本试验，主要因素有： 载流、速度与载荷等 4 8 。 4 北京交通大学硕士学位论文 对于受电弓滑板而言，其与普通摩擦磨损实验一个最重要的区别 就是大电流的引入。载流对于摩擦磨损试验的结果具有十分重大的影 响。在进行的浸金属碳滑板的相关研究表明，在非载流条件下具有极 小磨损率的浸金属碳在载流条件下的磨损率迅速增大，特别是在高速 下相差接近两个数量级，充分说明载流摩擦对于评价滑板材料的性能 的必要性。到目前为上，还没有关于具有大功率载流功能的高速摩擦 磨损试验机的报导。 同时，目前通用试验机 4 9 5 1 多为往复式和销盘式，速度低，滑 行距离往往只有几米到几十米，其接触与约束方式也与实际弓网的接 触方式不同，难以正确评判高速摩擦中材料的性能，之前的报导 【3 5 3 7 也充分说明了这一点。因而进行了一些相关的自主开发，本研 究所采用的具有大功率载流功能的高速盘块式摩擦磨损试验机，由 北京交通大学自主设计研制，在国内外尚属首次 4 0 】【4 4 】 5 2 】。 该试验机集大刚度轴系、超静定轴承支撑、防振阻尼、液压跟随 式加载、非刚性约束夹具、非摩擦面电流导入和计算机实时测量监控 等一系列先进技术于一身，所有开发设计均是自主创新，具有完全独 立的知识产权。 该试验机使用l om m 1 0m m 接触面积、高1 0 1 2m m 的标准试 样，法向载荷可在o 1 2m p a 、速度可在o 3 0 0k n l 1 1 、加载间流可 在o 4 0 0a 间无级调动，摩擦系数、磨损量、电压、电流等相关数 据通过计算机实时监控、记录并在屏幕实时以曲线显示。图2 1 即为 该摩擦试验机与计算机监测系统的照片。 这种具有大功率载流功能的高速盘块式摩擦磨损试验机由传动 惯性系统、加载系统、载流系统和测量系统等部分组成。 ( 1 ) 传动惯性系统采用超静定设计，配以皮带传动，使得该试验机在 高速运转时平稳、可靠，保证了数据测量的准备性。高品质变频 器及大功率三相异步电机在保证在试验机无级调速的同时，亦保 证了长时间、大负荷运转的稳定性。 ( 2 ) 加载系统的设计是智慧与先进技术的综合体现，液压跟随式加载 北京交通大学硕士学位论文 的设计保证了接触的平稳性、完全性。非刚性约束夹具的设计保 证了试验结果的可靠性，在前后多年的试验机设计过程中也证实 了非刚性约束夹具的必要性。同时加载系统可实现自动加载、无 级调速等功能。 ( 3 ) 测量系统由计算机全程记录并实时同步显示。作为评定材料性能、 研究磨损机理的重要指标摩擦系数与磨损量的测量必不可少。摩 擦系数p 的测量，按摩擦学一般定义= ，尸确定；f 为摩擦力， 尸h 为法向压力。摩擦力的方向垂直于法向加载方向，由压力传感 器实时直接测得，由计算机根据实时测出的负载值，按照公式 = f p 计算并同步显示。试验机提供高精度电磁感应位移传感 器，按测长法 4 8 测出磨损量试样的磨损量并由计算机实时同步显 示。 ( 4 ) 载流系统是载流摩擦试验的重要环节，由大功率电源提供稳定、 可靠的电压与电流。电源采用电流调节设计，一旦设计电源值， 不会因摩擦过程中接触电阻的变化而引起电流值的改变，同时电 流调节提供远距离控制，并且切换方便。该载流系统提供独立的 电压、电流值同步测量与显示。 该试验机的设计与制造完全自主，前后历经多年，在经历数千次 的试验后证明，该试验机结构设计可靠、功能完善、试验可重复性高 等优点。 经过测试并经多次试验考验，该高速摩擦磨损试验机可以达到下 列性能指标： 【l 】最大线速度达3 0 0 k m m i 【2 通电电流0 “0 0 a 范围内连续可调： 3 】摩擦接触器可耐受温度不小于6 0 0 ； 4 1 最大法向压力为1 2 0n ； 【5 试验过程摩擦块与试验盘之问始终保持贴合状态无振动现 象： 【6 试块装卡便利、可靠，无松缓、卡死现象； 北京交通大学硕士学位论文 【7 】通过计算机实现界面选择试验内容、监测显示方式和数据文 件的生成等功能。 圈2 1 大功率载流摩擦试验机照片( 未发表) f i g 2 1p h o t oo f c u “蚴沁明埘n gm c t i o n 觚dw e a rl e s ts y s t e m 该试验机是对t i 3 a l c 2 等t i 3 s i c 2 系材料进行截流摩擦学研究时必 不可少的工具。国内外目前尚无此类实验