【摘 要】
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本论文系统研究了用于高速列车的新一代高性能。Ti3SiC2系受电弓滑板材料的制备和摩擦学特性等应用基础问题。全文分九章分别阐述了高速列车受电弓滑板的应用背景、Ti3SiC2系陶瓷材料的发展现状、高性能Ti3SiC2系陶瓷及其复合材料的制备及分析方法、载流/非载流条件下高速滑动摩擦、磨损特性、摩擦氧化与氧化物薄膜的生成条件、自润滑机制及影响因素、摩擦过程的稳定性、力-电-热多场耦合与交互作用，以及T
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本论文系统研究了用于高速列车的新一代高性能。Ti3SiC2系受电弓滑板材料的制备和摩擦学特性等应用基础问题。全文分九章分别阐述了高速列车受电弓滑板的应用背景、Ti3SiC2系陶瓷材料的发展现状、高性能Ti3SiC2系陶瓷及其复合材料的制备及分析方法、载流/非载流条件下高速滑动摩擦、磨损特性、摩擦氧化与氧化物薄膜的生成条件、自润滑机制及影响因素、摩擦过程的稳定性、力-电-热多场耦合与交互作用，以及Ti3SiC2系受电弓滑板的研制。
本论文的主要创新成果：
1．高纯度Ti3SiC2系陶瓷粉体原料的大批量合成技术取得突破，获得了纯度高达97vol.％以上的Ti3SiC2和Ti3AlC2粉体材料，解决了制造Ti3SiC2系受电弓滑板所需原料的来源。
2．研制成功高性能的Cu/Ti3AlC2和Al/Ti3SiC2等新型复合材料，为Ti3SiC2系陶瓷材料在高速列车受电弓滑板的应用奠定了材料科学基础。
3．揭示了Ti3SiC2系陶瓷材料和Cu/Ti3AlC2和Al/Ti3SiC2等新型复合材料的摩擦学特性及相关机理，为Ti3SiC2系受电弓滑板的研制提供了原始数据和相关科学依据。
4．研制成功高性能的Ti3SiC2系受电弓滑板材料；用其制造的Ti3SiC2系受电弓滑板已通过产品检验和装车运用考核。
本论文的主要结论及其理论意义和工程应用价值：
①以Al(或Sn)作为Ti3SiC2(或Ti3AlC2)的合成反应助剂，可有效地抑制合成产物中TiC等杂质相的生成，在此基础上，采用常压高温煅烧方法可大批量合成用于Ti3SiC2(或Ti3SiC2)粉体材料制备的一次合成产物。
②Ti3AlC2块体材料具有良好的高速滑动摩擦特性；在60m/s滑动速度下，其对低碳钢的摩擦系数为0.1左右，磨损率不超过2.5x10-6mm3/N.m。Ti3SiC2块体材料具有类似的滑动摩擦特性，但高速下的承载能力不足；在60m/s滑动速度下，当法向压强超过大约0.2 MPa时，出现“临界”失稳行为。
③TiC杂质相有显著的不良影响，其颗粒对摩擦面的咬合作用导致摩擦系数增大，其颗粒的剥落导致磨损率增大，因此用于制作受电弓滑板的Ti3SiC2系原料必须有足够高的纯度。
④Ti3AlC2和Ti3SiC2所表现的低摩擦系数和磨损率归因于其磨损面上形成的具有自润滑作用的摩擦氧化物薄膜的形成；该薄膜由非晶态的混合氧化物组成，其厚度约0.5～1μm，熔融温度约为200～300℃。该薄膜的形成与滑动速度有关，在低于5m/s的滑动速度下难以形成。
⑤Cu/Ti3AlC2复合材料具有超过1200 MPa的抗弯强度和良好的导电性，同时具有良好的高速滑动摩擦特性：在60m/s滑动速度下，典型Cu/Ti3AlC2材料的摩擦系数约为0.13～0.15，磨损率小于3.61×10-6mm3/N.m。Al/Ti3SiC2复合材料也具有良好的摩擦学特性。
⑥在载流的条件下，主要由于两摩擦面之间产生的微电弧烧蚀作用，所有实验材料均表现出不同程度的磨损率增大和摩擦系数增大；Cu/Ti3AlC2材料对铜合金配对材料表现出最好的载流摩擦特性，归因子其良好的导电性和对微电弧的抑制作用。
⑦研制的Ti3SiC2系受电弓滑板，其磨损率仅为目前高速列车使用的碳系滑板的20～30％，且接触网线磨损率降低60～80％，其导电性、冲击韧性和抗弯强度等主要技术指标也比碳系滑板材料显著改善，有效地解决了碳系滑板磨耗快、易破碎、对接触网线损伤大的技术难题，开辟了新一代高速列车受电弓滑板技术的发展方向。
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