受电弓滑板材料发展小史

　　铁路的电气化和高速化是目前世界铁路运输发展的趋势。随着中国经济的快速发展，中国的铁路电气化建设也进入了一个崭新的发展时期，同时也对弓网系统提出了更高的要求。弓网系统是电气化列车运行的主要动力来源，它主要由接触网和受电弓两部分构成，接触网线大多采用纯铜或铜合金材料，而作为电力机车从接触网线导入电能的滑板材料，其发展经历了一个漫长而复杂的过程。在受电弓滑板的研究和应用方面，其材料主要经历了纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板等发展过程。下面我们就从国内外受电弓滑板材料的研究历程了解一下这个电气化列车动力之翼的发展。

　　首先提一下我们的邻国日本。日本电气化列车的受电弓滑板材料就经历了由纯铜、石墨、粉末冶金材料到浸金属碳滑板材料的过程。最早期，列车使用的是纯铜材料的滑板。纯铜滑板材料相对于硬铜的接触导线，纯铜的亲和力大，易引起粘着磨损，因此接触导线磨损严重，现在已被淘汰。二战中，为了节约战略物资铜，日本开发了导电性与自润滑性较好的石墨滑板材料，其优点是对接触导线的磨损小， 1945年以后该材料在私营铁路上得到了广泛的应用。但是由于石墨存在电阻系数较大、集电容量小、耐冲击性差等问题，所以，在1949-1951年，铁道电气化协会适时推出了替代石墨的铜系粉末冶金滑板材料。其电阻系数比石墨滑板小，冲击韧性较石墨滑板有了一定的提高。在1964年日本新干线的开通之后，在列车的高速行驶中，含铜量多的铜系滑板材料和铜接触导线间亲和力较强，接触导线磨损严重；而石墨滑板材料的抗冲击能力较差，无法达到要求。这时，铁系滑板材料应运而生，铁系滑板材料在高速滑动时形成的铁氧化物减少了粘着磨损，从而使滑板材料磨损减轻。1981-1984年日本高速列车的最高运行速度达到了210-240km/h，铁系滑板材料的磨耗值也达到了以往的3倍，为此日本研究人员向铁基粉末冶金材料中加入一些耐磨成分，但由于这种滑板材料对接触网导线的磨损十分严重，因此日本又开始研发新的滑板材料。20世纪80年代以来，日本开始致力于电阻系数小、机械强度高的新型碳质滑板材料的研究，开发了浸金属碳滑板材料。该材料是在压力作用下利用金属液将碳质压块中的气孔填满而形成的，组织致密。虽然浸金属碳滑板材料由于制备方法的限制，含碳量过大、自身磨耗较大，但兼有纯碳滑板材料润滑性能好与铜系合金烧结滑板材料强度高、导电性好等优点，是一种较为理想的高速列车用受电弓滑板材料，这一开发也为将来对新型滑板材料的研发指明了道路。

　　继日本之后，20世纪70年代欧洲各国也竞相发展了高速铁路，滑板材料也得到相应的发展。法国的TGV，德国的ICE和西班牙的AVE都是具有代表性的高速铁路。起初，他们所使用的受电弓滑板材料为铜合金和纯碳滑板，由于铜合金滑板材料对接触网导线的亲和力大，现在其使用也在逐渐受到限制。20世纪90年代中期，欧洲也继日本之后开发了浸金属碳滑板材料，其电阻率低、强度高，磨耗率小，该材料在英国电气化铁路建设中得到了较为广泛的应用。

　　在国内方面，我国从20世纪50年代末开始发展电气化铁路。1961年第一条电气化铁路宝凤段开通，当时路网导线选用铜质导线，滑板为软钢滑板。由于导线的磨损严重，在1967年改用碳滑板材料。但是碳滑板材料的机械强度较低，冲击韧性较差，并且在运行中会出现滑板折断和破裂，使用寿命低，特别是在雨季和潮湿地区，因摩擦力增大，常出现弓网故障。因此研究人员研制了粉末冶金滑板材料，在20世纪80年代初，铜基粉末冶金滑板在国内得到了广泛的应用。20世纪90年代以后，我国高速电力机车开始采用组织致密的浸金属碳滑板材料，这种滑板集碳材料和金属材料的优点于一体，因此，综合性能比较优越。近几年，我国高速电气化路线使用的滑板材料基本上都是浸金属碳滑板材料。

　　而近年来，又出现了一些新的受电弓滑板潜在应用材料：

　　首先是Ti₃SiC₂材料受到了研究人员的关注。它是一种结构、导电和自润滑多功能合一的新型材料。其强度、电阻率和自润滑性能指标皆优于碳基材料和其他受电弓滑板材料，其耐高温性、抗氧化性及可加工性是现用受电弓滑板材料无法相比的，也有望成为制作高速电力机车的受电弓滑板材料，这对解决高速机车受电弓滑板的摩擦和电弧灼蚀损伤问题具有重要指导意义。

　　另一种潜在应用材料是碳-金属纤维滑板。它是以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强碳基体，采用适当的混料方式使增强剂均匀地分布于基体中，然后进行冷压或热压，再经过高温烧结得到的复合材料。20世纪90年代初有日本研究人员制备了一种碳基体分布着钢纤维的复合材料，这种滑板综合了纯碳滑板和金属滑板各自的优点，从而改善了滑板的性能。

　　再一种潜在应用材料就是C/C复合材料了。C/C复合材料是碳纤维强化的碳复合材料，它将碳纤维布重叠起来，经过压缩成型和烧结而制备的碳系复合材料。C/C复合材料与现用的碳系滑板相比，电阻率稍高一点，但是其密度小，而且质量轻，弯曲强度和耐冲击强度均为现用碳系滑板的2倍，从而展现了良好的应用前景。

　　电气化铁路的不断发展势必会推动受电弓滑板材料的不断创新。而受电弓滑板的材料的更新和改善也会对铁路的运行带来更快的速度和更安全的保障。正是有无数的材料科研工作者的不断努力和奋斗，才有了我们生活的便捷与舒适。未来，新材料必将会使受电弓滑板这一高速列车之翼更有力，让高速列车更安全更强劲，从而让我们的出行和运输更快捷更和谐。