摘要
弓网系统（受电弓/接触网系统）是高速列车获取能量的唯一途径。受电弓滑板作为高速列车获取能量的关键集电元件，应具备良好的服役性能。碳/碳复合材料由于具有优异的机械电气性能，在高速铁路受电弓滑板中得到了广泛应用。但随着高速列车速度和功率的提升，弓网电弧的发生频率和燃弧能量显著提高，导致在役的大部分受电弓碳滑板出现断裂、掉块等问题，影响高速列车稳定运行。因此，研制高性能的受电弓碳滑板材料是亟待解决的工程问题。 制约碳/碳复合材料的机械电气性能和综合电接触性能进一步提高的关键问题有三个。首先，碳纤维与碳基体间是物理结合，界面结合力弱；其次，材料制备过程中界面形成先天微裂纹和孔洞，孔隙率高；最后，复合材料的电接触机理和特性不明。为此，论文围绕碳/碳界面调控问题开展了三方面的工作。首先实现了纤维与碳基体从机械锁结到化学键合的转变，改善了界面结合效果；其次，实现了纤维/基体的自适应扩张/收缩，孔隙率降低；最后，抑制了材料受侵蚀时微裂纹生长与扩展，提升其电接触性能。 首先自主搭建了高性能碳/碳复合材料制备及表征平台，制备了预氧化碳纤维前驱体增强碳基复合材料，探究了预氧化碳纤维前驱体增强复合材料界面机理，结果表明：①预氧化碳纤维前驱体表面含氧基团与沥青在烧结过程中430℃时形成氧桥，1050℃时与沥青形成C-C化学键合，与碳纤维相比界面结合力提高33倍；②增强复合材料在受到机械冲击时，断裂模式从碳纤维增强时的纤维拔出脆性断裂转变为纤维折断的假塑性断裂，材料有更好的延展性，抗折强度和抗冲击强度都有所提升。 构建了复合材料中粘结剂沥青包覆预氧化碳纤维前驱体同步碳化结构，形成预氧化碳纤维前驱体/碳基体自适应扩张/收缩效应，填补了纤维与碳基体之间的微裂纹，有效抑制材料制备过程中微裂纹尖端的产生和发展，降低了复合材料的孔隙率，同时提升其电导率、导热系数。 针对碳/碳复合材料在电弧侵蚀时易崩边、掉块的问题，构建了电接触试验系统，探究了预氧化碳纤维前驱体增强复合材料的电接触特性，获得以下结论。①碳/碳复合材料与铜电极静态接触时，增强复合材料的升温速率降低，且表面最高温度更低，呈现出更“均匀”的温度分布，平均温升速率的变化率更小。②碳/碳复合材料与铜电极动态分离时，增强复合材料在烧蚀前后的质量损失、抗折强度损失率、抗压强度损失率和抗冲击强度损失率显著降低，电弧烧蚀后降温速率提升。 本研究通过对受电弓滑板碳材料界面调控，制备出机械电气性能和电接触性能优异的滑板材料，为开发新型受电弓滑板提供支撑，保障了高速列车安全可靠运行。
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