載流摩擦磨損研究進展*

李聰慧 張燕燕 曾澤祥 牛 凱 宋晨飛 上官寶 張永振

(河南科技大學高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室 河南洛陽 471023)

載流摩擦副是典型的功能摩擦副，用來實現固定部件與運動部件之間能量和信號的傳輸，被廣泛應用于航空航天、海工裝備、高速動車組、火箭發射整流裝置、電磁軌道炮、工業發電機及電力傳輸等高端裝備領域。目前的載流摩擦研究涵蓋了干摩擦條件、潤滑條件以及不同環境氣氛條件下，不同配副材料在不同接觸形式下(滑動和滾動)的摩擦磨損特性研究。

載流摩擦磨損是電接觸系統和摩擦系統相互作用、相互影響的結果，屬于電接觸學和摩擦學的交叉學科。科技的快速發展對載流摩擦的深入研究提出了更加迫切的要求。在電氣化軌道交通領域，隨著高速化和重載化的發展，電力機車弓網系統的電流密度大幅度提升，電流最高可達850 A，高鐵弓網的摩擦速度已達100 m/s[1]，摩擦熱與速度成冪函數關系，幾十倍的摩擦熱與強電流產生的電阻熱導致弓網電接觸服役條件急劇惡化。在航空航天領域，太陽帆板驅動機構中的導電滑環要求在結構上保證其具有15年以上的服役壽命，對長期服役條件下載流摩擦副的可靠性提出了更高的要求[2]。在海洋環境下，材料的磨損深度最高達20 mm[3]，鹽霧和潮濕環境下材料的腐蝕和磨損嚴重制約著海工裝備的服役和發展。模擬實驗的局限性、摩擦學研究的系統依賴性以及其他各種不確定因素，共同構成了載流摩擦龐大而復雜的研究體系。因此，從不同角度系統研究載流摩擦磨損的理論與技術至關重要。

1 載流摩擦接觸的基本特征

載流摩擦系統是電接觸系統與摩擦接觸系統的耦合，涉及電接觸學、摩擦學、材料學、傳熱、化學和物理學等多個學科。載流摩擦副通過粗糙表面接觸斑點的集合構成宏觀導電通道[4]。這些接觸點存在負荷集中效應，同時在相對滑動過程中會產生高密度的焦耳熱，導致材料性能改變[5]。

6城市環境污染、生態惡化、氣候異常等促進了病蟲害的發生。城市環境是由人工建造起來的特殊生態系統，而地上部分城市空氣和生活污水污染嚴重、光照條件不足以及人為破壞嚴重；地下部分往往是填埋的建筑垃圾，土壤堅實、透氣性差、土質低劣、缺肥少水、生長空間狹窄，這些直接導致樹木生長勢減弱、抗逆性降低，為有害生物的大發生提供了有利條件。而且養護管理又長期跟不上，園林植物病蟲害容易暴發成災。此外，氣候異常導致的凍害、抽條、旱災、澇災、煙塵、酸雨等自然災害，會使林木生長勢減弱，導致病蟲害暴發成災。

1.1 共面接觸

由于導電接觸和摩擦接觸共面，因此，載流摩擦副的導電特性和摩擦學特性由接觸表面的狀態和行為決定，摩擦系統和導電接觸系統同時對載流摩擦副產生影響；從使用特性來說，載流摩擦副兼具載流和摩擦2個功能，而且摩擦和導電之間存在同步特性，并且這種同步特性是動態存在的。摩擦因數的劇烈波動會導致導電質量迅速變差，這種瞬間的性能惡化作用于接觸表面，會破壞摩擦副的接觸狀態，引起后續摩擦副導電性能和摩擦性能的惡化。如圖1所示，當電樞相對軌道高速移動時， 軌道和電樞之間聚集的高電流密度使接觸界面產生摩擦熱和焦耳熱，這種極大的瞬時熱流沖擊導致材料熔化、損耗及接觸區域變形，并過渡到電弧接觸[6]。

兒子二年級開學第二周的時候，正好是教師節，老師發一小卡片，讓寫上最想對老師說的話，第二天交上去。放學，兒子問我寫啥好，我說寫自己發自肺腑的話就好。第二天下午放學，我接到老師的電話，讓我去學校一趟，因為兒子寫的只有四個字：我要退學。

圖1 電樞與軌道接觸的模型原理[6]

1.2 粗糙接觸

無論是摩擦接觸，還是電接觸，宏觀上的接觸平面在微觀上都是凹凸不平的，如圖2所示。兩物體實際接觸面積遠小于理論接觸面積，而摩擦的本質實際上就是接觸面上無數微凸峰的相互作用[7]。在載流摩擦過程中，并不是所有的接觸斑點都傳遞電流。一些接觸點因氧化膜或雜質等原因不傳遞電流，這些傳遞電流的接觸點稱為“導電斑點”[8-9]。電流通過“導電斑點”時會發生收縮現象，這會造成有效導電面積減小，產生局部的附加電阻，即“收縮電阻”。收縮電阻和膜層電阻使得真實的接觸電阻比名義電阻增加30～100倍，電流密度也遠高于名義電流密度。同時，在一定的接觸壓力下，接觸點也承擔了所有的接觸壓力，因此，真實接觸處的接觸應力遠高于名義接觸應力。在摩擦副的相對運動和電流傳導過程中會產生大量摩擦熱、電阻熱，這些熱量大多集中在接觸點處，使得接觸點處的溫度遠高于各義接觸面上的非接觸區，導致摩擦副接觸區域產生裂紋并出現材料的脫落和轉移[10]。因此，摩擦副在運行過程中呈現出負荷集中效應，凸出峰接觸區負荷集中效應[11]是載流摩擦接觸的突出特點，這種現象是電流密度集中、應力集中和熱集中耦合作用的結果。

圖2 載流摩擦的接觸表面示意

1.3 載流摩擦副表面熱效應

電弧是一種氣體放電現象，在載流摩擦過程中，載流摩擦副間受迫振動會使摩擦副間發生短暫分離，產生極大的能量密度；同時接觸表面的高溫使表面電子逸出(即電子熱發射)，引發電弧。對于運動接觸導電，伴生電弧是載流摩擦最顯著的特點。在摩擦接觸的過程中加載電流，其帶來的電場及電弧放電都將影響載流摩擦副的摩擦磨損性能及導電性能，離線電弧放電是載流摩擦磨損中的重要現象[91-92]。電弧放電會使得材料表面出現熔化、電弧燒蝕和氧化等損傷形式，惡化配副表面接觸狀態[93-94]，如圖10所示[95-96]。SENOUCI等[15,97]研究了在電接觸狀態下銅表面的磨損機制，認為電弧及其產生的熱量將加劇材料的磨損，并促使材料發生氧化。NAGASAWA和KATO、KUBO和KATO[47,98]重點研究了電弧對載流摩擦磨損機制的影響，發現電弧產生的高溫是材料磨損的主要原因，電弧熱導致材料發生熔化、氣化和氧化現象。因此，為了降低電弧對材料磨損的影響，應當減少摩擦表面熱的產生。HE等[99]也發現，在電弧高溫的作用下熱應力會在受侵蝕部位積累，由于摩擦表面各點處的溫度及其變化速率不同，受侵蝕部位會產生不同的應變量，導致表面裂紋產生。

3.1.3 電流對載流摩擦磨損性能的影響

圖3 C/C-SiC復合材料在制動過程中環形試樣整

四是監測制度。監測是土地保護的重要手段，要對監測網絡建設（省、市、縣）、監測指標及頻次、監測結果發布、預測預警等作出規定，以維護監測工作的長期運行。

2 載流摩擦的接觸形式

接觸電阻作為摩擦副接觸導電的一個重要參數，是評價接觸是否良好的重要依據，具體表現為接觸電阻的阻值和穩定性[64]。相對于靜態接觸，摩擦副的相對滑動會導致配副導電質量下降。同時，電流、速度和載荷這些外界條件的影響也會引起摩擦副載流品質的變化。對電流而言，電流增加，產生電弧的能量和頻率增加，材料的磨損量增加，摩擦副的載流質量和載流穩定性均有所降低[65-66]。在載流摩擦過程中，伴生電弧雖有導電功能[67]，但與接觸導電相比，載流效率大大降低，同時電流伴有劇烈的波動。郭鳳儀等[68]認為電流增大，電弧燒蝕加強，溫度升高使磨粒黏著增強，實際接觸點減少，接觸電阻增加[69]。另外，由于摩擦副內碳潤滑劑的存在，使得接觸表面形成潤滑膜，接觸電阻增大。而文獻[70-72]分析認為在載流摩擦過程中，接觸電阻隨電流的增加呈減小的趨勢。這是由于電流越大，摩擦熱和焦耳熱產生的高溫使得低熔點材料軟化，接觸面積增大，接觸電阻減小。對速度而言，速度的提高使摩擦副間接觸狀況不穩定，接觸熱、電阻熱和電弧熱使磨損加劇，導電性能較差。XIE等[73]研究了AuAgCu電刷的滑動電接觸行為，研究結果表明，隨著滑動速度的升高，摩擦副間振動加劇，接觸電阻波動增大。陽雪衡[74]分析認為，在離子液體L-P106潤滑條件下，接觸電阻隨速度的增大而增大，這是因為，速度的增加導致摩擦副間產熱增多，而產生的熱量未能及時導出，不斷地積累，使摩擦副接觸區域溫度升高，從而使接觸電阻增加。對載荷而言，載荷過小會導致摩擦副間離線概率變大，由此產生的電弧現象較嚴重，電弧燒蝕造成表面粗糙度增加，摩擦副間接觸狀態變差[75]。隨著載荷的增加，摩擦副間接觸面積增大，接觸電阻減小，電接觸穩定性提高。陳忠華等[76]對波動載荷下動態接觸電阻的波動進行了研究，發現動態接觸電阻隨載荷波動幅度的增大，呈現出先減小后增大的趨勢。分析認為，高溫電弧和接觸溫升的共同作用導致接觸電阻呈現出先減后增的趨勢。溫度對載流摩擦副的導電性能也產生影響，劉新龍等[77]分析認為高溫環境下，金屬材料接觸表面損傷加劇，接觸區域氧化磨屑的不斷生成和堆積是導致接觸電阻波動的根本原因。劉興富等[78]在7個循環熱真空試驗中對導電滑環接觸電阻的波動進行了測試，測試結果表明，導電滑環接觸電阻對溫度變化敏感，如圖8所示(圖中溫度坐標的數據代表的是7個循環熱的溫度)。綜上所述，載流摩擦的導電性能受電流、速度、載荷、溫度等多種因素影響，因此在不同服役條件下，選擇一個合適的接觸電阻值對保證電接觸的可靠與穩定具有重要意義。

圖4 吊弦微動疲勞斷口[30]

3 載流摩擦學性能特征

運行過程中，摩擦接觸系統和電接觸系統相互影響，共同作用。載流摩擦副處于電磁場、溫度場、應力場耦合的復雜環境中，在這樣的環境下，載流摩擦副的性能也呈現出耦合特性。干摩擦過程中產生的熱量，直接損傷接觸表面，破壞載流摩擦狀態，影響摩擦副的導電性能[78-80]。而導電過程中的電弧、電阻熱和氧化等因素對摩擦副的磨損形式也將產生直接影響[81]。載流摩擦共面接觸的特點決定了壓力、速度等因素不僅直接影響摩擦學性能，也會影響載流摩擦副的導電特性；而電壓、電阻等因素不僅直接影響導電性能，也會對摩擦副的摩擦學性能產生影響。雙重反饋作用下，載流摩擦副呈現出了復雜的導電-摩擦特性。因此，載流摩擦系統性能呈現出嚴重的非單調性，各影響因素對載流摩擦磨損的影響是各因素耦合作用的結果。

3.1 摩擦磨損性能

3.1.1 速度對載流摩擦磨損性能的影響

基于穩定農戶的宅基地占有使用權、充分保障其在農村的基本居住權，筆者認為未來應探索建立農村宅基地差別化有償使用制度。具體而言，一方面針對農村集體經濟組織成員，要堅持首次申請無償取得、福利分配制度，即延續當前以“一戶一宅”“面積控制”為特征的初次無償分配、永久使用宅基地制度，繼續發揮宅基地使用權的保障功能，但若其宅基地使用面積超過地方規定標準，則需要繳納超額使用費。另一方面，城鎮居民或非本集體經濟組織成員因買賣農村房屋而使用農村宅基地的，可以認為買方與房屋所在的集體之間建立了土地租賃關系，也應向集體經濟組織繳納宅基地有償使用費。

運行速度對載流摩擦學性能有一系列復雜影響。隨著速度增加，摩擦副間的振動沖擊加劇，導致產生離線電弧的概率增大。同時，由于電弧加熱導致材料表面塑性變形抗力喪失，材料表面的摩擦磨損性能下降[33]。李克敏、田磊等人[34-35]發現，隨著摩擦速度的增大，摩擦副的摩擦因數和磨損率均逐漸增大。這是由于隨著摩擦速度的提高，摩擦過程中的摩擦熱逐漸增多，由此造成的電弧放電導致接觸面產生燒蝕坑、剝落和氣孔等，材料表面接觸質量惡化，接觸面粗糙度增大，摩擦因數增加；此外，摩擦過程中的摩擦熱和電弧熱使摩擦副溫度升高，材料基體嚴重軟化，產生黏著，磨損率增大。但也有人得出相反的結論， BOUCHOUCHA等[36]分析認為速度增加，摩擦副間的摩擦熱和焦耳熱使溫度升高，接觸表面形成了氧化膜[37]，摩擦因數降低。這是因為，隨著速度的進一步提高，摩擦過程中產生的摩擦熱和焦耳熱導致表面溫度升高，材料發生熔化、黏著和剝落，摩擦副接觸質量反而下降。CHENG和劉思萌等[38-39]認為，在油潤滑條件下，隨著速度的增加，摩擦生熱使潤滑油黏度降低，摩擦副間的潤滑膜減小了微凸體間的相互作用，降低磨損程度。TYAGI等[40]發現，鎳基復合材料在滑動摩擦過程中磨屑被壓實，在磨損表面形成了一層起保護作用的過渡層，且滑動速度越高，產生的摩擦熱越多，過渡層越致密，使摩擦因數降低；另一方面，在滑動界面的過渡層中存在固體潤滑劑(Ag和h-BN)，使得摩擦因數進一步降低，如圖5所示。因此，摩擦因數的變化是致密過渡層和固體潤滑劑的共同作用[41]。綜上所述，速度對載流摩擦性能的影響主要體現在，摩擦副高速運動產生的機械磨損加劇了電氣磨損，惡化了接觸表面的性能，而摩擦副間的潤滑效應(潤滑油和固體潤滑劑)有利于改善接觸表面的摩擦性能。

圖5 不同復合材料摩擦因數隨速度的變化[40]

3.1.2 載荷對載流摩擦磨損性能的影響

載荷對載流摩擦學性能有重要影響。接觸載荷過小時，會導致摩擦副間接觸不良，產生電火花和電弧，造成接觸副材料的燒損[42-43]；接觸載荷過大時，摩擦副間接觸微凸體增多，剪應力增大，摩擦熱、電阻熱和電弧熱[44]使得表面溫度升高，引起材料剝落，產生燒蝕坑，加劇材料的機械磨損。因此，在載流摩擦過程中，存在最優載荷，此時電弧侵蝕和機械磨損都大大減少[45-47]。李本君[48]在研究弓網系統的滑動載流磨損性能時發現，干摩擦條件下滑板磨損量與載荷呈線性增長關系，磨損形式以磨粒磨損為主；而載流條件下，滑板磨損量與載荷呈“U”形關系，如圖6所示。這是因為當載荷小于最佳載荷時，隨著載荷的增加，電弧侵蝕現象逐漸減弱，磨損率降低[49]；當載荷大于最佳載荷時，黏著磨損和磨粒磨損加劇，磨損率增加。

在小學階段，培養學生的數學思考能力尤為重要。《數學課程標準》強調了要讓學生“學會獨立思考，體會數學的基本思想和思維方式”。教師必須在平時的課堂教學中，致力于學生數學思考力的培養，切實提高學生的數學素養。

圖6 載荷對摩擦副磨損質量損失的影響[48]

黃明吉、陳超等人[50-51]分析認為，在脂潤滑條件下，隨著載荷的增大，摩擦生熱導致摩擦副間的固體潤滑脂黏度下降，使得接觸副間的滑動摩擦阻力減小，同時附著在摩擦副周圍的固體潤滑脂及時進入摩擦副，充分潤滑，導致摩擦因數降低最后達到穩定值。丁濤等人[52]也研究了壓力對不銹鋼/浸金屬碳材料摩擦磨損性能的影響，研究發現試樣磨損率和摩擦因數隨著法向載荷的增大而減小，在160 N之后趨于平緩。推斷認為載荷增大，摩擦副間結合得越來越緊密，放電現象明顯減弱，燃弧率降低，至160 N之后放電現象微乎其微，使得磨損越來越穩定。YAU等[53]分析認為，隨著滑動距離的增大，在滑動過程中產生的摩擦剪應力使接觸區域的微凸峰被擠壓，摩擦副的接觸面積增加，有效接觸應力減小，從而導致磨損率降低[54]。因此，載荷的大小決定了摩擦副的接觸狀態，在一定條件下，存在最優載荷，使磨損率最低。

隨著理論分析的不斷完善和計算機技術的快速發展，運用數值模擬的方式研究摩擦熱效應已成為當今的熱點。NITUCA[18]以弓網系統為研究對象，建立了不同接觸材料的線性電接觸模型，可用于分析不同接觸材料在不同電流、接觸力或環境溫度下的熱行為。毛保全等[19]在對電磁軌道炮發射過程進行仿真分析時發現，電流速度趨膚效應對軌道與電樞之間的燒蝕起主要作用，且燒蝕主要集中在電樞的尾部。王步康等[20]使用ANSYS研究了摩擦副瞬態相對滑動時的摩擦起熱過程以及溫度的傳導及其起伏狀態。CHEN等[21]也對摩擦副的摩擦生熱情況進行了模擬，模擬結果表明，摩擦表面溫度最高為463.4 ℃，由于電導率的影響，軸向溫度梯度大于徑向溫度梯度；摩擦表面溫度隨半徑變化，由中心向周圍先升高后降低，這是因為熱流密度隨半徑的增大而增大，當半徑達到最大時產生巨大的熱對流，如圖3所示。聶昕等人[22]以DP780材料為研究對象，采用ABAQUS模擬研究摩擦熱對金屬變形過程的影響，研究發現，摩擦熱對金屬塑性存在明顯的影響，導致摩擦副的應力呈現波動式變化。李文全、許潘等人[23-24]對弓網接觸區的溫度變化進行了仿真模擬，并提出弓網接觸區溫度與列車速度、弓網電流和環境溫度等眾多因素有關，還需進行更深入的認識和研究。

陳少平：2019年，廣東墾區上下將全面貫徹黨的十九大和十九屆二中、三中全會精神，以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，深入貫徹習近平總書記對農墾和廣東重要講話精神，高舉新時代改革開放旗幟，抓住粵港澳大灣區建設這一大機遇、大文章，立足農墾定位，發揮墾區優勢，持續推進“走出去”發展，讓廣東農墾的發展搭上新一輪改革發展的快車，為實施鄉村振興戰略、質量興農戰略、健康中國戰略做出廣墾貢獻。

電流是影響載流摩擦磨損的重要因素。在摩擦副運行過程中，電流的加入進一步惡化了摩擦副運行條件，導致摩擦副的摩擦磨損特性相比普通摩擦副更為復雜。馬振華、秦紅玲等[55-56]分析認為，載流摩擦的磨損率和摩擦因數明顯高于無載流狀態，這是因為在電流作用下摩擦熱、電弧熱和焦耳熱增加了導電斑點的溫度，溫度升高使導電斑點附近材料軟化甚至熔化，產生更多的導電斑點，并使基材發生斷裂和脫落，磨損率和摩擦因數增大。對于鉻青銅/黃銅摩擦副，隨著電流密度的增大，電弧熱使表面塑性變形抗力降低，微凸峰間的剪切抗力下降，摩擦副的摩擦因數逐漸減小并趨于平穩。同時，電弧燒蝕加劇導致磨損率逐漸增加[57]。GRANDIN和WIKLUND[58]的研究結果表明，由 Ti-Ni-C涂層導線與銀石墨滑環構成的摩擦副，載流摩擦時銀石墨滑環的磨損率高于純機械摩擦時的磨損率。分析認為，加載電流導致摩擦副間產生電弧，電弧抑制了摩擦膜的形成，加劇了材料的磨損。JIA等[59]和DING等[60]也指出磨損率與電流呈線性增加關系，如圖7所示[61]。這是因為電流增加，熱磨損和電弧燒蝕嚴重，惡化了摩擦副表面的接觸狀態，材料磨損量顯著增加。而ZHENG等[62]認為在通電條件下，通過單個接觸點的電流密度高于平均值幾倍，這就產生了更多的焦耳熱；另一方面，摩擦力導致摩擦界面在高速下產生摩擦熱，電阻熱和摩擦熱的共同作用導致溫度上升，表面形成氧化膜，氧化膜的作用導致摩擦力較低。在重復的滑動摩擦過程中，裂紋形成，氧化膜斷裂并脫落，導致摩擦力增大[63]。因此，電流的加入對摩擦副的摩擦磨損性能有十分重要的影響。隨著電流的增加，摩擦副間溫度升高，黏著磨損、磨粒磨損和電弧燒蝕加劇，材料表面接觸狀況變差，摩擦磨損性能下降。

圖7 不同載荷和電流條件下材料磨損率[61]

3.2 導電性能

載流摩擦的接觸形式包括滾動、滑動和微動。現有的滑動載流摩擦副在使用過程中溫升較大，最高達300 ℃[25]；另外燃弧率高，伴有火焰狀的電弧產生[26]，摩擦副表面出現犁溝、剝落和燒蝕坑等磨損形貌，材料表面磨損嚴重。滾動摩擦副與滑動摩擦副相比具有先天的優勢，滾動載流摩擦摩擦因數小[27]，材料表面出現微量磨粒磨損和黏著磨損[28]，材料損耗低，摩擦副表面質量較滑動摩擦顯著提高。微動磨損普遍存在于航空航天、鐵路運輸和通信工程等領域，是關鍵部件失效的主要原因之一[29]。微動摩擦磨損不僅會引起構件咬合、松動或形成污染源，同時也可能加速裂紋的萌生和擴展，甚至斷裂，導致構件的疲勞壽命大大降低，如圖4所示[30]。微動運行狀態可分為部分滑移區、混合區和完全滑移區，且不同區域下材料的磨損機制存在區別[31]。

圖8 接觸電阻波動[78]

3.3 載流/摩擦性能耦合

載流摩擦不僅包括摩擦學行為本身，還包括電流傳導作用下的耦合行為[32]。與常規機械滑動摩擦相比，載流摩擦由于電流的加入而變得十分特殊，除了壓力載荷、速度以及接觸材料的粗糙度等常規機械滑動摩擦的影響因素之外，接觸電流以及摩擦過程中產生的電弧等也是載流摩擦中的重要影響因素。

3.4 載流/摩擦性能失效

在摩擦副可靠接觸階段，摩擦磨損性能和電性能在平均值上下做低幅隨機波動，當接觸臨近失效時，摩擦磨損性能和電性能會出現大幅度的變化。在大電流條件下，付文明等[82]研究發現摩擦因數隨電流的增加呈先增加后減小的趨勢。分析認為，電流越大，摩擦副間的電弧放電越強，使接觸表面溫度升高，表面粗糙度增大，摩擦因數增加。當電流增至500 A時，電弧熱和焦耳熱的共同作用使碳滑塊的溫度急劇上升，接觸斑點瞬間熔融汽化使摩擦阻力變小。另外碳滑塊在高溫下呈熱脆性，接觸點的抗剪切力變小，使摩擦因數變小。對于由二硫化鉬增強銅基復合材料構成的摩擦副，當外加電流強度為60 A 時，材料的摩擦磨損性能最佳，但當電流強度超出這一臨界值時，大電流引發的電阻熱會破壞其自潤滑性能，進而加速其磨損失效[83]。ARGIBAY等[84]也研究了大電流密度下的滑動電接觸磨損性能，研究結果表明，在電流密度為180 A/cm2的條件下，接觸電阻約為10 mΩ，摩擦因數為0.3，磨損率達4×10-5mm/km，摩擦因數和磨損率均呈現大幅度的增大，如圖9所示。

國網電力調控自動化機房中的布線工作是較為復雜的工作，并且有很多的線路都是在地下或者是建筑物頂端位置，所以，布線的工作難度也是相對較大的。在實際施工過程中，還會有很多的突發事情，比如線路長度的差異，機房中線路布置出來的美觀性等諸多方面的問題，都會影響到布線的實際施工。目前，我國有很多供電企業在機房布線方面都是存在很大問題的。因此，在實際國網電力自動化機房布線工作當中，必須要在前期的設計階段，設計出科學合理具有實用性的布線線路，還需要保證線路的使用效率，以及后期的線路維護、管理等問題，只有這樣才能在一定程度上提高國網電力自動化機房的安全性和效率性，從而去實現機房所帶來的經濟價值。

圖9 大電流密度下銅鈹纖維刷的摩擦因數、接觸電阻和線性磨損率曲線[84]

在高速條件下，趙燕霞等[85]研究表明：離線率隨速度的增大近乎呈線性增大；滑動速度較高時，載流效率迅速降低，載流穩定性升高，載流質量急劇下降。滑動速度增加，導致摩擦副間導電斑點形成與破壞的過程加快，從而造成電流傳輸的不穩定，導致電弧發生的概率增加、電弧能量增大，磨損表面嚴重粗糙化，接觸狀態變差。ZHANG等[32]研究了幾種材料在高速大電流條件下的摩擦電性能，研究表明高滑動速度和大電流會惡化摩擦和導電性能，而適當的接觸壓力有利于改善電接觸性能。當摩擦副處于穩定磨損階段時，摩擦副間的微凸峰不斷形成與破壞，處于彈性接觸狀態。接觸壓力過小時，接觸斑點發生彈塑性形變概率較小，接觸面間相互接觸的微凸體數量降低，導致實際接觸面積減小，離線率升高，燃弧率增加。接觸表面在高溫作用下，在局部形成較尖銳的微凸體和燒蝕坑[86]，使得接觸質量變差，導電性能惡化。隨著接觸壓力波動幅度增大，摩擦副間的振動磨損加劇，接觸狀態不穩定，使得接觸電阻增大超過臨界值，導致接觸失效[87]。陳忠華等[88]分析認為，對于浸金屬碳滑板與銅導線對摩副，隨著壓力波動幅度的增大，摩擦副接觸狀態不穩定，離線率增加，較大的剪切力嚴重破壞接觸表面的潤滑膜，接觸表面變得粗糙不平，接觸電阻增大超過臨界值，接觸失效。鳳儀等人[89]在研究碳納米管-銀-石墨復合材料的摩擦磨損性能時發現，在外加載荷的作用下，由于物理吸附和化學吸附作用，導致摩擦副間形成一層潤滑膜(90%碳和10%水)。過大的壓力破壞了摩擦副間形成的潤滑膜，導致金屬-金屬接觸，產生嚴重的犁溝和黏著磨損，使復合材料的電磨損體積急劇增大。綜上所述，載流摩擦副服役過程中，摩擦副間的性能失效是接觸壓力載荷、接觸電流和滑動速度綜合作用的結果[90]，同時載流/摩擦性能失效也體現了摩擦磨損性能和導電性能的耦合特性。

孔子一生，仕止久速，造次顛沛，纂修刪述，盛德大業，靡一不具《論語》；及門弟子德性氣質、學問造詣、淺深高下、進止得喪，靡一不具《論語》。《論語》多記言，少記事。知孔子之言者，即知孔子之事。知及門弟子之言者，即知及門弟子之事矣。[注] 朱彝尊撰，林慶彰、蔣秋華、楊晉龍、馮曉庭主編：《經義考新校》，上海：上海古籍出版社，2011年，第3851-3852頁。

3.5 伴生電弧及影響

摩擦產熱是互相接觸的金屬在相互滑動時不可避免的現象。在相對滑動及外載荷的共同作用下，會產生大量的摩擦熱、焦耳熱以及電弧熱，這些熱量會使摩擦副潤滑失效，甚至發生膠合破壞[12-13]。秦襄培和陳漢新[14]采用銷盤試驗機分析了摩擦熱對UHMWPE/鋼摩擦副磨損機制的影響，結果表明，較高的摩擦熱會使得摩擦副局部接觸表面的溫度超過材料的熔點，導致摩擦副失效。SENOUCI 等[15]對有無電流的磨損情況進行了對比分析，發現電流的加入及其引起的電弧熱加劇材料磨損。王成彪等[16]將摩擦表面的熱效應分為3個區：弱熱效應區、熱效應區和強熱效應區，并指出強熱效應區材料磨損較為嚴重。張玉燕等[17]對高速大載流條件下電樞表面瞬態溫度場的特性進行了分析，結果表明，在高速滑動電接觸中，摩擦熱和接觸電阻熱的耦合溫升高于單純的摩擦熱溫升，且存在一個合適的接觸壓力使耦合溫升最小。

圖10 電弧燒蝕坑[95](a)和材料熔化[96](b)現象

摩擦副處于高速相對運動狀態下時，原本互相接觸的微凸峰之間間隙變大，游離態電弧沿相對滑動方向發生彎曲、變形，形成了電弧的遷移特性[100]。不同電弧之間會發生交叉和重疊，最終通過復合、附著或擴散的方式消失。電弧的遷移特性導致試樣表面相對運動后出現明顯的侵蝕坑，侵蝕坑深度達到100 μm，如圖11和圖12所示[100]。電弧對摩擦副表面的侵蝕也導致電壓與電阻的波動，是導電性能惡化的主要原因[101]。電弧瞬時的導電性會對原有電流產生干擾，顯著影響動力輸出及輸出功率的穩定性，造成傳導電流波形異常[102]；與此同時，電弧放電還會產生電磁噪聲。因此，電弧的存在不但會加劇摩擦副的機械磨損，也會導致摩擦副的導電性能惡化。

圖11 電弧遷移特性示意[100]

圖12 電弧遷移對純碳滑板表面形貌的影響[100]

4 載流摩擦副損傷機制

在載流條件下，機械能和電能的耦合將產生更為復雜的材料損傷機制。載流摩擦副在工作過程中要進行電能傳輸，因而在摩擦過程中除了產生機械磨損外還會產生電氣損傷(電氣磨損主要形式是電弧燒蝕)，兩者相互影響、相互作用，形成機械磨損和電氣磨損相互耦合的復合磨損機制。

4.1 服役工況依賴性

服役條件對載流摩擦副的損傷形式產生重要影響。摩擦副在黏著和剪切的過程中受材料屈服強度、表面粗糙度、摩擦副表面溫度、速度和電流等多方面因素的影響，材料表面會發生磨粒磨損、氧化磨損和電弧燒蝕等磨損機制。

在高速和大電流的實際工況中，摩擦副接觸區會產生摩擦熱量聚集和瞬時高溫，導致摩擦副潤滑失效，壽命降低。此外，摩擦副的環境溫度和局部瞬時溫度相差較大，且具有迭加效應，導致摩擦副失效模式不明確。因此，建立合適的溫度場模型有利于各類失效模式的分析，提高摩擦副的壽命和可靠性。

摩擦副間滑動速度的增加會導致材料磨損加重，接觸面的表面粗糙度增大，摩擦副間接觸惡化，燃弧率增大。速度進一步升高，引起的高溫使摩擦副間剪切強度降低，造成摩擦副處于不平穩的接觸狀態，甚至出現短暫的分離，更易出現電弧。林杰等人[103]在研究轉速對摩擦副磨損性能的影響時發現，隨著轉速的增加，摩擦因數增大，材料表面出現裂紋和剝落凹坑，如圖13所示。對接觸副施加低載荷，此時接觸條件較差，摩擦副間容易發生跳動產生離線電弧，放電現象明顯，電氣磨損量大，氧化磨損和電弧燒蝕嚴重[104]，同時伴隨磨粒磨損和黏著磨損[105]；高載荷下，摩擦副表面在摩擦力的作用下發生嚴重的塑性變形，磨損情況愈加嚴重，主要表現為犁溝磨損和剝層磨損[106]。這是由于在磨粒磨損中，磨粒滑動會引起磨損面產生犁溝或塑性變形，載荷大到一定程度時，塑性變形產生的殘余應力會萌生裂紋，在磨粒的拉動下，裂紋將發生擴展，如果磨損組織脆性大，會發生脆性斷裂。朱祿發[107]分析認為，海水的腐蝕易使摩擦副產生粗糙、疏松的腐蝕產物，形成的腐蝕產物會刮傷摩擦副表面，導致磨損面出現黏著磨損和黏著剝離。因此，高載荷下摩擦副主要磨損機制為剝層磨損，同時還伴有犁溝磨損[108]。電流對接觸副的摩擦磨損機制也有影響，電流的增加和電弧放電使接觸表面溫度升高，材料軟化，主要磨損機制是黏著磨損、磨粒磨損和電蝕磨損[59,109]。劉軍濤[65]分析認為，當電流較大時，材料表面會發生較嚴重的電弧侵蝕，電弧飛濺產生的“第三體”顆粒，會加重磨粒磨損。SUN等[110]對發現，在干燥氮氣條件下，由于高定向熱解石墨的磨屑垂直于滑動方向均勻分布，導致摩擦表面呈“山脊狀”和“溝槽狀”，這是磨粒磨損的典型特征。隨著電流密度的增加，溝槽變深，磨粒磨損加劇。綜上所述，不同工況對摩擦副的接觸狀態影響顯著，且在不同服役條件下出現了黏著磨損、磨粒磨損、氧化磨損、電弧燒蝕和疲勞磨損等不同的磨損機制。

4.2 多種損傷并存

載流摩擦過程中，材料的損傷形式不僅包括了干摩擦材料損傷的一般形式，如黏著、犁溝、塑性變形等，因其有電能傳遞的過程，使接觸面溫度升高，導致摩擦副發生氧化和塑性變形，因此載流摩擦還包括電弧侵蝕、熔融和噴濺等電氣磨損形式，使磨損表面嚴重粗糙化。載流摩擦的磨損方式主要可以分為機械磨損、電氣磨損、化學磨損和耦合磨損。機械磨損的主要形式包括塑性變形、磨粒磨損、黏著磨損等，如圖14所示[111]。黏著磨損主要是因為摩擦副接觸表面間的固體焊合或局部因為黏著效應形成的黏著結點，在高溫和剪應力作用下發生剪切斷裂。當界面存在固體潤滑劑時，潤滑膜剝落使摩擦副出現磨粒磨損和塑性變形。電氣磨損主要形式包括噴濺、熔融、蒸發、氣化及由電弧造成的氧化等，具體的形式取決于材料的性能。對于低熔點材料(如銅)一般會發生噴濺和熔融，而對于高熔點材料(如含碳復合材料)，材料通常會被蒸發和氣化，摩擦表面產生孔洞和氧化膜，形成網狀結構，產生裂紋[112]。化學磨損主要是高溫條件下的氧化造成的，在腐蝕環境下也包括化學腐蝕磨損。載流摩擦過程中，材料表面的損傷行為是多種磨損機制共同作用的結果[113]。

圖14 磨粒磨損 (a)、黏著磨損 (b)和疲勞磨損(c)[111]

5 載流摩擦材料在工業領域中的應用

載流摩擦副材料要求具有良好的導電導熱性能、減摩耐磨性能、抗熔焊性和潤滑性能等[114]。由于載流摩擦材料應用領域廣泛，服役條件多樣，且不同工況下的最優配副也不同，因此，材料種類較多。在高低壓輸電領域，觸頭材料主要包括銀基電接觸材料和銅基電接觸材料，其中銀基和銅基的復合材料主要有銀氧化銅、銀氧化鎘、銀鎳、銀石墨、銅石墨、銅鉻等。除了常用的銀基和銅基觸頭，金屬-難熔金屬材料由于具有很高的抗熔焊和抗電弧燒損能力，主要用于制造大電流斷路觸頭[115]，比如鎢滲銅復合材料和鉬滲銅復合材料[116]。

實踐能力培養是國際貿易專業人才培養目標的客觀要求，也是嚴峻的就業形勢的要求。近兩年，隨著就業壓力的不斷增大，國際貿易專業畢業生的就業壓力也在不斷增加，2009年，在“麥可思”公司發布的一份中國大學生就業報告中，要求對畢業生失業人數連續三年都很高的專業亮“紅牌”，并建議政府和高校對這些專業減少招生，這其中就有國際貿易專業。另外，由于新的電子貿易方式的出現，傳統的單一型外貿人員已經不能適應對外貿易的業務要求，這也要求要不斷提高從業人員的綜合素質，以適應實際崗位的需求。

對于弓網系統，接觸線主要有純銅接觸線、銅合金接觸線、鋁合金接觸線和復合接觸線4大類，由于銅合金接觸線具有高溫強度高、耐磨性好和相對導電率下降不大等優點，應用最廣泛。受電弓滑板的材料包括純金屬材料、純碳材料、粉末冶金材料、浸金屬碳材料以及碳纖維復合材料[117]。由于金屬滑板對接觸線磨耗大，逐漸被淘汰，當前我國所使用的受電弓滑板多以浸金屬碳滑板為主。浸金屬碳材料具有較好的電學性能和耐磨性能，但抗沖擊力較低，而碳纖維材料具有高比強度、耐熱和耐磨等優點，彌補了浸金屬碳材料的不足，在摩擦材料中應用廣泛。此外，有研究者認為在自潤滑材料中加入其他固體潤滑劑時會產生協同潤滑效應，其潤滑性能得到較大提升[118]。新材料方面，鈦硅碳(Ti3SiC2)系導電陶瓷材料性能優于常規的碳基滑板材料和金屬基粉末冶金滑板材料，對于解決高速列車的電弧侵蝕問題具有重要意義，但成本較高，尚未實現規模化生產。

在納米發電機領域，對于摩擦納米發電機，其選用的材料多為纖維素納米纖維、紙/纖維素、錦綸織物和滌綸織物等具有可再生性和可生物降解性的無毒材料[119]，這些材料相較于金屬、塑料、有機薄膜等，制作電極的成本低，因此應用廣泛。對于壓電納米發電機，壓電材料通常分為3類：壓電陶瓷、壓電聚合物和壓電復合材料，其中壓電復合材料(比如軸向壓電納米復合材料)同時具備了壓電材料的壓電性能和聚合物的柔韌性[120]，是壓電納米發電機領域的研究熱點。在航天領域，導電環材料分為貴金屬及其合金和電鍍貴金屬及其合金的復合材料(基底多為銅合金)2類。由于貴金屬電鍍接觸材料硬度高、摩擦因數小、電噪聲低等優點，近年來在工程應用中發展迅速。電刷材料中較常用的有纖維合金絲(簇)，如AuNi9、AuNiGd等，以及銀石墨和銀碳纖維塊狀材料(電刷一般加工成柱狀)[121]。銀基電刷材料中，AgTaMoS2G具有優良的電性能、機械性能和摩擦磨損性能，是航空航天工業中較常見的電接觸材料。

綜上所述，載流摩擦材料性能各異，種類繁多。在實際應用中，應根據材料的性能合理選擇相匹配的摩擦副材料，延長摩擦副使用壽命。

6 結論與展望

載流摩擦磨損作為機械、摩擦、電氣、化學和熱傳導等多種因素綜合作用的結果，是極其復雜的磨損過程。而隨著現代科技的快速發展，載流摩擦副的服役工況日益苛刻和惡劣，對載流摩擦副材料的要求也在不斷提升，迫切需要對載流摩擦的磨損機制和影響因素進行深入探索。本文作者認為應主要在以下幾個層面加強研究。

溫氏股份在投資者互動中表示，公司2019年商品肉豬出欄量預計約2500萬頭，2020年的出欄量預計是2900萬頭。公司仍會按照自己的既定計劃進行生產。未來是否對部分受非洲豬瘟影響嚴重的地區進行調整，需要進一步的調研和論證分析再做決定。

(1)隨著航空航天和深海技術的不斷發展，載流摩擦副材料的工作環境更加惡劣，摩擦磨損行為也將更加復雜。因此后續應加強接觸副材料在多環境下、多因素耦合作用下的摩擦磨損行為和失效機制研究。

(2)現代科技工業的發展對載流摩擦副的服役條件要求越來越苛刻，摩擦副往往處于多場耦合條件下，對試驗研究帶來一定難度。因此應將現代計算模擬手段與磨損試驗結合起來，開展多因素耦合條件下的摩擦磨損理論研究。

(3)現有對載流磨損機制的研究基本依賴于傳統的微觀表征手段，導致載流摩擦現象和作用機制研究不透徹。因此，今后應特別重視微觀表征儀器設備的研制和開發。

(4)在材料研制方面，為了克服傳統材料的性能缺陷，應繼續加強新型復合材料的研發。根據具體的工作條件和特殊的性能要求(減摩抑弧)，有針對性地研發新型復合材料。